基于Maxwell的變壓器短路分析

作者：大龍貓   微信公眾號：CAE_ANSYS

         匝間短路是常見的電器故障,本次基于普通變壓器從正常運行狀態到匝間短路故障狀態的電磁理論，詳細分析了匝間短路的動態物理過程，并采用ANSYS Maxwell分析軟件建立了變壓器的瞬態分析過程
        通過本實例主要了解匝間短路的設置方法，外部電路設置短路時間的控制方法，本實例對于Maxwell的愛好者有一定的指導作用

1建立模型
        本次計算采用Maxwell的二維分析，首先設置求解環境，設置為軸對稱方式，如圖所示，建立的模型如圖所示。

       在正常運行期間，２個相鄰的匝串聯并具有相同的電流，如圖所示。第ｍ 轉的電流與第ｍ＋１轉
的電流相同。根據安培力定律，２個相鄰的匝間相互吸引而不是短路，因為它們之間具有良好的絕緣。當匝間絕緣發生故障時，絕緣故障中的兩匝觸點將通過電磁吸引力形成短路環，但在碰撞后會立即通過電磁排斥力分離，因為短路方向根據電磁感應定律，短路電流與正常匝數相反本次分析采用的激勵線圈為完整的模型，感應線圈設置的為三段，上下兩部分線圈為完好的線圈，將線圈2設置為短路狀態，通過設置電路來控制是否發生短路

2.邊界條件
          通過在檢測區域的邊界上分配氣球邊界條件來完成邊界加載。在端口和線圈分配到繞組后，可以通過將外部電路引入繞組端口來完成勵磁加載。結果如圖所示

3.外部電路
       外部電路模型由電路編輯器構建，如圖所示。電路中有四個線圈Lwinding1,2,3,4,分別代表激勵線圈和感應線圈的上中下三部分

   
        3.1激勵線圈Lwinding1為獨立部分，激勵部分為電壓源，給定外部正弦電壓，設置相應的周期和峰值，頻率等參數，設置電流表檢測電流，并設置電阻，表示線圈的電阻
        3.2中間部分Lwinding2，3，4為感應線圈的三部分，他們之間為串聯，我們將中間部分通過S12導線控制來決定其是否發生短路，當指定時刻短路時候，其S12合閘，則線圈3被短接，其S12控制部分由name1模塊來定義，需要定義其達到相應的電壓之后則發生動作，需要注意其控制部分由電壓來控制，輸入相應的電壓表名稱既可
        3.3下方部分為控制電路s12的激發的電路，其主要方式采用脈沖電路來控制，當脈沖達到指定電壓的時候，則s12開關閉合，主要控制其脈沖的時間來控制

4.設置瞬態分析

       設置計算的時間，本次計算采用100ms，即五個周期，設置步長為1ms，計算求解
5.結果
        通過計算，我們獲取相應的電壓電流曲線
5.1激勵線圈電壓如圖所示，可以看到其電壓為設置的正弦結果

5.2脈沖電路部分的結果如圖所示，控制其從40ms開始發生脈沖，脈沖的電壓持續20ms后恢復

5.3感應線圈電流如圖所示，第一、三個線圈電流始終為正弦變化，第二個線圈可以看到前期和另外兩個一樣，后面發生短路之后其發生變化，之后回復成原始狀態，脈沖波形和感應線圈的電壓如圖所示，其電壓變化和脈沖對應，恢復之后相應的感應電壓也恢復。

通過本實例，主要可以了解一下變壓器的短路設置方法，瞬態設置方法，電路開斷的控制方法

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