電力變壓器中的磁場(chǎng)分布與磁屏蔽效果分析

牟 帥，吳 哲，朱炎輝，項(xiàng)秉福，周 策，宋占海

(1．浙江電力變壓器有限公司，浙江溫州 325014；2．溫州電力局，浙江溫州 325028；3．溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

電力變壓器中的磁場(chǎng)分布與磁屏蔽效果分析

牟 帥1，吳 哲2，朱炎輝1，項(xiàng)秉福1，周 策1，宋占海3,?

(1．浙江電力變壓器有限公司，浙江溫州 325014；2．溫州電力局，浙江溫州 325028；3．溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

基于三維有限元法對(duì)一臺(tái)電力變壓器進(jìn)行了合理的建模，模型可自然給出繞組的電阻損耗．基于該模型模擬了內(nèi)部磁場(chǎng)與油箱損耗的分布情況，并研究了放置磁屏蔽板后油箱的損耗變化．模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本符合，說(shuō)明建模正確．分析結(jié)果對(duì)研制節(jié)能降耗型電力變壓器有指導(dǎo)作用．

電力變壓器；磁場(chǎng)；磁屏蔽；油箱損耗；有限元法

變壓器是配電網(wǎng)中不同電壓等級(jí)電能間相互轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，在電能生產(chǎn)、輸送、調(diào)度分配等過(guò)程中起到非常重要的作用．變壓器運(yùn)行時(shí)總伴隨著大量的能量損耗，具統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)電力變壓器運(yùn)行時(shí)發(fā)生的能耗約占整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電總量的10%[1]，損耗巨大，這和變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)．變壓器主要由鐵心、繞組、油箱以及附件等組成，對(duì)應(yīng)這幾部分發(fā)生的損耗分別叫做：鐵心損耗（鐵損）——鐵心反復(fù)磁化過(guò)程中產(chǎn)生的磁滯損耗與渦流損耗，采用高性能的導(dǎo)磁材料可降低鐵損，如非晶合金變壓器可使鐵損降低75%以上[2]；繞組損耗（銅損）——繞組中的電阻損耗以及渦流損耗，采用高電導(dǎo)率材料導(dǎo)線以及合理的繞制方法可降低銅損；雜散損耗——雜散磁場(chǎng)在油箱、夾件、拉板等金屬構(gòu)件中的渦流損耗，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)與屏蔽可降低[3-6]．一般來(lái)說(shuō)，變壓器的容量越大，傳輸效率越高，大型的變壓器可達(dá)99%甚至更高，但同時(shí)，容量越大總的損耗量也越大．如果能量損耗過(guò)分集中，有可能導(dǎo)致局部溫度過(guò)高，破壞應(yīng)有的絕緣，從而影響使用壽命或?qū)е率鹿拾l(fā)生．模擬變壓器內(nèi)部場(chǎng)的分布情況和各部分的損耗情況，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的變壓器的前提．研制節(jié)能型變壓器也是國(guó)家發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要．

變壓器油箱因其面積巨大，其中的渦流損耗（或叫雜散損耗）也很大，這成了近些年對(duì)大型變壓器設(shè)計(jì)研究的一個(gè)熱點(diǎn)．以前對(duì)這類(lèi)問(wèn)題的研究多采用解析法，把內(nèi)部的復(fù)雜場(chǎng)分布看成滿足解析公式的約束，對(duì)分析實(shí)際問(wèn)題只具有參考意義[7]．本文采用三維有限元的數(shù)值分析方法，可以對(duì)變壓器內(nèi)部情況有比較真實(shí)的了解．本文的研究對(duì)象是一臺(tái)50 MVA的主變壓器，通過(guò)建模分析，得到了與實(shí)測(cè)基本相符的結(jié)果．

1 模 型

為了模擬過(guò)程簡(jiǎn)化，所建立的模型具有對(duì)稱(chēng)性．如圖1顯示的是一臺(tái)三相三柱芯式電力變壓器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，每個(gè)鐵芯柱從內(nèi)到外各環(huán)繞一個(gè)低壓繞組與高壓繞組，每個(gè)低壓繞組由12個(gè)均勻分布的環(huán)狀線圈組成，每個(gè)高壓繞組由10個(gè)環(huán)狀線圈組成．該結(jié)構(gòu)的建立保證模擬出的繞組的電阻損耗與實(shí)測(cè)相等，基于這樣的模型再考慮其內(nèi)部場(chǎng)與損耗的分布情況應(yīng)該更接近實(shí)際．在該結(jié)構(gòu)中，在x-o-y面上的磁場(chǎng)與平面垂直，認(rèn)為磁場(chǎng)在郵箱內(nèi)快速衰減為零，并在油箱的邊界滿足自然邊界條件，因此，只模擬整體結(jié)構(gòu)的四分之一就可以了解整體的場(chǎng)分布，這大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程．本文實(shí)際模擬的結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖1 變壓器整體結(jié)構(gòu)模型

2 理 論

按照電磁場(chǎng)理論，導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)（如油箱、壓板、夾件、繞組等）存在渦電流，因此，在該區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H滿足Maxwell方程[8]：

圖2 模擬的四分之一結(jié)構(gòu)

求解空間采用四面體元的劃分方法進(jìn)行分割，矢量電位只存在于四面體元的棱邊，標(biāo)量磁位只存在于四面體元的頂角，并滿足一定的邊界條件．

3 結(jié) 果

3.1 變壓器鐵心中的磁密分布

變壓器鐵芯與屏蔽層材料都是通用硅鋼片，繞組為無(wú)氧銅，油箱材料為普通導(dǎo)磁鋼．所有材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、密度都認(rèn)為是常數(shù)．鐵心都是由片狀的相互絕緣的硅鋼片壓成，渦流被限制在很小的橫截面內(nèi)，如果不考慮鐵心內(nèi)的渦流，把鐵心看成是具有一定電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的線性材料，空載時(shí)模擬的鐵心內(nèi)部磁密分布如圖3所示，可以看出，鐵心內(nèi)的磁場(chǎng)比外部的強(qiáng)，并且中間的鐵心柱（B相繞組）比兩側(cè)鐵心柱內(nèi)的磁密強(qiáng)，在鐵心柱與鐵扼的連接位置更強(qiáng)，這些與文獻(xiàn)[11]模擬的結(jié)果一致．

圖3 變壓器空載、鐵心無(wú)渦流時(shí)磁密幅度分布(ωt=0)

實(shí)際鐵心中都有渦流損耗，本應(yīng)對(duì)毫米以下的硅鋼片再進(jìn)行更細(xì)的網(wǎng)格劃分，但這樣，計(jì)算量將非常巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出PC機(jī)的能力，所以只能把鐵心近似看成實(shí)心導(dǎo)體，這種考慮的后果肯定是模擬的渦流比實(shí)際的大，模擬結(jié)果如圖4．比較圖3、圖4可以看出，渦流的存在使得鐵心內(nèi)部的磁密減弱，鐵心邊緣的磁密依然很強(qiáng)，甚至達(dá)磁飽和，這也與實(shí)際情況相符[10-11]．實(shí)際上在鐵心中的磁場(chǎng)分布只能介于上述兩種極端情況之間．變壓器負(fù)載工作時(shí)的磁密與空載時(shí)的區(qū)別不大．

3.2 變壓器油箱壁上的場(chǎng)分布

圖5是變壓器負(fù)載時(shí)模擬的變壓器油箱上的磁密分布情況，可以發(fā)現(xiàn)，在變壓器側(cè)壁上靠近線圈的地方漏磁密比較強(qiáng)，特別是遠(yuǎn)離分接開(kāi)關(guān)的油箱側(cè)壁，由于最靠近線圈，模擬的磁密最強(qiáng)，應(yīng)引起注意，漏磁的量級(jí)與已有文獻(xiàn)[11]結(jié)果相近．根據(jù)實(shí)際情況，若在油箱壁上固定如圖4式的磁屏蔽板，然后再模擬箱壁場(chǎng)分布，油箱上的磁密分布發(fā)生改變，結(jié)果如圖6．由于屏蔽板的良好導(dǎo)磁特性，屏蔽板附近的磁密被導(dǎo)引到屏蔽板所在的磁路內(nèi)，從而使油箱壁整體磁密有所降低（包括線圈上下端頭部分的油箱部分），尤其是屏蔽層后面罩著的油箱部分效果較明顯，但這部分的邊緣的磁密有所增強(qiáng)．

圖4 變壓器空載、鐵心有渦流時(shí)磁密幅度分布(ωt=0)

圖5 變壓器負(fù)載、無(wú)屏蔽時(shí)油箱上的磁密幅度分布(ωt=0)

圖6 變壓器負(fù)載、有屏蔽時(shí)油箱上的磁密幅度分布(ωt=0)

3.3 變壓器油箱壁上的損耗分布

如果基于公式（5），對(duì)油箱壁上的損耗進(jìn)行計(jì)算，可以得到圖7、圖8所示的結(jié)果，同樣發(fā)現(xiàn)，在油箱的側(cè)壁最靠近線圈的部位，也就是遠(yuǎn)離分接開(kāi)關(guān)的側(cè)壁的中部，渦流損耗最大，其次就是靠近A 、C兩相繞組的側(cè)壁的中部，損耗也較大，損耗分布與磁密分布規(guī)律類(lèi)似[11]．

圖7 變壓器負(fù)載、無(wú)屏蔽時(shí)油箱上的功率損耗密度(W / m2)(ωt=0)

圖8 變壓器負(fù)載、有屏蔽時(shí)油箱上的功率損耗密度(W / m2)(ωt=0)

3.4 變壓器雜散損耗的測(cè)量結(jié)果

對(duì)該型變壓器進(jìn)行了負(fù)載損耗的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示，在放置如圖屏蔽結(jié)構(gòu)后，可以使油箱的損耗降低5.7千瓦．而模擬顯示，放置屏蔽后可以降低損耗4.3千瓦，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較相近，也說(shuō)明該分析方法可行，分析結(jié)果有意義．

4 結(jié) 論

基于繞組中電阻性損耗的實(shí)際大小，對(duì)變壓器進(jìn)行建模，然后用三維有限元法對(duì)變壓器內(nèi)的磁場(chǎng)與油箱上的渦流損耗進(jìn)行仿真模擬，模擬結(jié)果與其它分析方法得到的基本一致．對(duì)有、無(wú)磁屏蔽時(shí)油箱上的損耗進(jìn)行了模擬對(duì)比，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合得也比較好，驗(yàn)證了模型的正確性．這些分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)低損耗變壓器有指導(dǎo)作用．

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Distribution of Magnetic Fields and Effect Analysis of Magnetic Shielding for Power Transformer

MOU Shuai1, WU Zhe2, ZHU Yanhui1, XIANG Bingfu1, ZHOU Ce1, SONG Zhanhai3
(1. Zhejiang Power Transformer Co, LTD, Wenzhou, China 325014; 2. Wenzhou Electric Power Bureau, Wenzhou, China 325028; 3. College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

A reasonable model for a power transformer was established based on 3D Finite-element Method (FEM). Ohmic losses for windings could be achieved automatically according to the model. Magnetic fields inside oil tank and oil tank losses were simulated with the model to study changes of oil tank losses when magnetic shielding panels were used for the shielding of tank. The achievement of simulated was in accordance with the measured one. Results showed that the established model is proper and the application of the model in analysis could be helpful for the design of low-loss power transformer.

Power Transformer; Magnetic Field; Magnetic Shielding; Oil Tank Loss; FEM

O441.4

A

1674-3563(2012)05-0055-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2012.05.009 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2011-12-07

溫州市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目(G20100160)

牟帥(1976- )，男，遼寧大連人，工程師，碩士，研究方向：電力電子．? 通訊作者，szhanh@wzu.edu.cn