Comsol三相变压器单相短路故障计算
变压器短路常由绝缘老化、击穿或异物导致，短路电流剧增引发高温，可能烧毁绕组、损坏铁芯，需立即断电排查修复以防事故。采用Comsol模拟变压器短路，可仿真单相短路电流、磁场分布，助力分析故障机理与优化设计。投稿｜电子F430编辑｜小苏 审核｜赵佳乐 变压器「单相短路故障现象」变压器单相短路故障，指变压器绕组中仅一相出现短路。常因绕组绝缘老化、过热、机械损伤，或是遭遇雷电、过电压冲击所致。一旦发生，该相绕组绝缘损坏，进而引发相间或相地短路。单相短路故障症状明显，变压器会发出异常声响，故障处绕组局部温度急剧升高，保护装置也会迅速动作。此故障会致使该相绕组电流大幅增大，引发绕组过热，严重时甚至能使绕组被烧毁，对变压器正常运行危害极大。当出现单相短路故障，变压器内部会产生强大的短路电流，其热效应可使绕组绝缘加速老化，甚至被击穿。同时，短路电流产生的电动力还可能导致绕组变形，进一步加剧故障，严重时可能引发火灾，危及整个电力系统的安全稳定运行。变压器单相故障现象物理场「建模」根据某知名品牌三相变压器实际尺寸绘制的三维模型如下所示。变压器单相故障物理几何模型计算过程需要设置变压器铁芯、绕组和变压器油的相对磁导率、电导率和相对介电常数。为保证结果准确性，材料参数从相关论文资料及实验数据中获取。材料参数物理场「边界条件」根物理场选择磁场+电路耦合的场路耦合进行求解。具体物理场边界条件如下。边界条件网格划分在Comsol模拟变压器单相短路故障时，网格划分需兼顾计算精度与效率。针对铁芯、绕组等关键区域，应采用加密网格以捕捉强电磁场梯度，尤其是短路点附近的电流密集区，可通过局部细化实现毫米级网格精度。而油箱、外壳等非关键结构，可采用较粗网格降低计算量，通过设置网格尺寸过渡区避免梯度突变。网格质量直接影响短路仿真结果可靠性。需重点检查绕组拐角、铁芯叠片等复杂几何处的网格畸变率，确保四面体或六面体网格的单元质量因子在0.6以上。可利用Comsol的自适应网格功能，基于初始计算结果对磁场强度超过阈值的区域自动加密，平衡短路电流分布与漏磁场仿真的准确性。对于瞬态短路过程模拟，时间步长与空间网格需协同优化。短路瞬间的电流冲击要求网格具备足够时间分辨率，可在故障发生时刻采用更小时间步，配合动态网格调整技术。同时，通过设置网格控制属性，使绕组导体区域的网格尺寸与趋肤深度相匹配，精准反映高频短路电流的集肤效应。网格分布结果展示采用线圈几何分析+瞬态研究方式进行求解，得到的变压器单相短路故障电磁特性分布如下。单相短路故障铁芯磁场分布单相短路故障绕组磁场分布单相短路故障截线磁场分布单相短路故障绕组短路电流分布来源：Comsol有限元模拟
