变压器内部短路故障发生的原因主要是变压器内部的绝缘失效。短路故障发生后,故障绕组中会产生很大的短路电流,各种损耗及发热量加大,反过来破坏绝缘,引起变压器损坏。为了快速准确检测变压器内部短路故障,必须建立一个简单有效的变压器内部故障模型,并利用该模型对变压器内部故障进行仿真计算。模型的有效性和仿真的精确程度对故障检测来说是非常重要的。 本文提出一种基于故障变压器内部磁场分析,获取等效参数并计算系统状态方程的数值模拟方法,用于考察变压器的运行特性。该方法的基本思想是根据变压器绕组的绕制方式以及故障类型,建立相应的有限元分析模型,用场路耦合有限元分析方法模拟短路试验条件下变压器的电磁场数值计算。通过能量扰动法得到变压器的等效参数建立变压器系统状态方程,进一步利用Matlab/Simulink分析端部电量的变化规律。 为此,本文首先建立了精细模拟绕组结构的变压器场路耦合有限元分析模型,初始子域精确到每一线匝;绕组内部对地短路、匝间短路故障的有限元计算模型,在有限元计算过程中采用“子域耦合”的方法考虑绕组的连接方式和短路类型以及基于能量扰动法计算变压器电感参数矩阵的有限元计算模型。 其次,推导了能量扰动法计算等效电感的计算公式,并通过有限元分析实现了故障电感矩阵的计算,该方法能够考虑故障情况下变压器中磁非线性部件的工作状态。 第三,为验证本文建立的模型,推导了层式绕组变压器等效电感参数矩阵的漏感因子法计算公式,编程计算并与本文提出的电感参数计算方法所得结果进行了对比。结果表明,本文建立的变压器仿真计算模型是正确的。 第四,利用所建立的模型对变压器内部短路故障进行了仿真计算。以变压器短路试验为基础,通过设置不同的故障点,模拟层式和饼式绕组变压器内部发生的对地短路故障以及匝间短路故障,计算并分析了绕组中电流以及其它参数随故障类型和故障位置的变化规律。