基于Ansoft的變壓器突發(fā)短路有限元 漏磁場分析

陳湘令

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

對于帶鐵心的變壓器，主磁通在（鐵磁介質(zhì)）鐵心中流通，漏磁場的漏磁通在（非鐵磁介質(zhì)）空氣、油、銅導(dǎo)體中流通。漏磁場的大小及分布規(guī)律決定著線圈的感抗及附加損耗，更為重要的是還決定變壓器正常運(yùn)行狀態(tài)下和短路情況下作用在繞組上的電磁力。動(dòng)車組上的牽引變壓器運(yùn)行條件惡劣，經(jīng)常有各種突發(fā)短路情況發(fā)生，短路時(shí)線圈電流相當(dāng)大，如果漏磁場分布不均或者數(shù)值較大，由此產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁力對設(shè)備的機(jī)械構(gòu)造穩(wěn)定性是一個(gè)嚴(yán)俊的考驗(yàn)。

因此準(zhǔn)確分析出漏磁場的大小和分布直接關(guān)系到變壓器的可靠運(yùn)行，準(zhǔn)確計(jì)算出突發(fā)短路時(shí)漏磁場引起的電磁力大小直接關(guān)系到變壓器的機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)。下面主要就這兩方面展開分析。

1 CRH3 殼式變壓器主要結(jié)構(gòu)

CRH3 型高速動(dòng)車組牽引變壓器截面圖如圖1所示。

圖1 CRH3 型高速動(dòng)車組牽引變壓器截面圖

該變壓器繞組采用交錯(cuò)式線圈，高壓繞組、牽引繞組在心柱軸向交錯(cuò)布置。HV1、HV2 為高壓繞組，其內(nèi)部已并聯(lián)，對外只有兩個(gè)端子；TR1-1 和TR1-2 布置在上、下鐵軛附近，其匝數(shù)均為另一個(gè)牽引繞組TR2 的1/2，組成一個(gè)牽引繞組，其內(nèi)部已串聯(lián)，對外只有兩個(gè)端子；TR2 為另一個(gè)牽引繞組，布置在高壓繞組HV1 和HV2 之間，對外有兩個(gè)端子。

圖2 器身部分有限元模型

2 CRH3 殼式變壓器漏磁場模型

1）合理建模

考慮殼式變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為鐵心包圍線圈，主要分析線圈與鐵心中的電磁場，外部油箱對漏磁場的影響較小，建模時(shí)可不考慮油箱建模。

根據(jù)CRH3 高速動(dòng)車組殼式牽引變壓器設(shè)計(jì)尺寸，建立的變壓器器身部分有限元模型如圖2所示。

2）主空道漏磁場分析，獲取最大磁通密度

主空道漏磁場矢量分布圖如圖3所示。從圖3可以看出，在最大短路電流流過線圈時(shí)，高壓線圈與牽引繞組間的主空道中，最大磁通密度達(dá)到1.57T。

圖3 短路情況下主空道漏磁通矢量分布圖

圖4 短路情況下高壓線圈HV1/HV2 漏磁通分布云圖

3）高壓線圈的漏磁場分析，獲取最大磁通密度 高壓線圈HV1 漏磁場分布如圖4所示。從圖4可以看出，在最大短路電流流過線圈時(shí)，高壓線圈HV1 和HV2 漏磁通密度最大值達(dá)到2.76T。

4）牽引線圈的漏磁場分析，獲取最大磁通密度

牽引線圈TR1-1 漏磁場分布如圖5所示。從圖5可以看出，在最大短路電流流過線圈時(shí)，高壓線圈TR1-1 漏磁通密度最大值達(dá)到 3.13T。牽引線圈TR1-2 在最大短路電流流過線圈時(shí)，牽引線圈TR1-1漏磁通密度最大值達(dá)到3.05T。牽引線圈TR2 漏磁場分布如圖6所示，從圖6可以看出，在最大短路電流流過線圈時(shí)，牽引線圈TR2 漏磁通密度最大值達(dá)到3.35T，稍大于牽引線圈TR1-1 漏磁通密度。

圖5 短路情況下牽引線圈TR1-1 漏磁通分布云圖

圖6 短路情況下牽引線圈TR2 漏磁通分布云圖

3 最大短路電流計(jì)算

變壓器二次側(cè)發(fā)生突然短路時(shí)，短路電流的大小與初始條件相關(guān)。

當(dāng)變壓器牽引繞組發(fā)生突然短路時(shí)，繞組中的短路電流按式（1）計(jì)算。

可見，短路電流的大小與初始條件—電壓U的 初相角α0有關(guān)。

當(dāng)α0= π/2時(shí)突然短路，突然短路一發(fā)生就進(jìn) 入穩(wěn)定狀態(tài)，暫態(tài)分量為零，短路電流最小。

當(dāng)00α= 時(shí)突然短路，短路電流中出現(xiàn)暫態(tài)分量，

此時(shí)，在突然短路后半個(gè)周期瞬間（ πtω= ）， 短路電流達(dá)最大值imaxk，

4 根據(jù)漏磁場分析所得最大磁場密度及最大短路電流，計(jì)算短路電磁力

有限元仿真計(jì)算結(jié)果如下。

高壓線圈HV1 最大短路力：F(x) = 0.677kN；F(y) =-0 .828kN ；F(z) = 21.52kN

高壓線圈HV2 最大短路力：F(x) = 4.48kN；F(y) =-1 .6kN；F(z) =-1 7.65kN

牽引線圈TR1-1 最大短路力：F(x) = 1.04kN；F(y) =-0 .8kN；F(z) = 917.4kN

牽引線圈TR1-2 最大短路力：F(x) = 0.38kN；F(y) = 0.36kN ；F(z) =-9 15.9kN

牽引線圈TR2 最大短路力：F(x) = 0.04kN；F(y) =-0 .52kN ；F(z) =-6 .73kN

5 根據(jù)短路電磁力數(shù)據(jù)，為CRH3 殼式變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)

根據(jù)以上漏磁場分析可知，漏磁場主要是徑向磁場，軸向分量較小，而從電磁力計(jì)算可知，繞組的軸向電磁力要遠(yuǎn)大于徑向力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上特別要考慮線餅間在軸向的支撐和壓緊，線餅間墊塊間的距離不超過85mm。

特別是布置在靠近上、下鐵軛處牽引繞組TR1-1 和TR1-2，Z軸方向最大短路力可達(dá)917.4kN，由線圈指向鐵軛的電磁力最大，在線圈和油箱壁之間必須采取用絕緣楔擠緊，保證其機(jī)械穩(wěn)定性，X軸、Y軸方向的短路力均較小，選擇半硬銅導(dǎo)線，依靠銅導(dǎo)體本身的強(qiáng)度可滿足機(jī)械穩(wěn)定性要求。

6 結(jié)論

本文利用Ansoft 有限元仿真軟件，建立CRH3動(dòng)車組牽引變壓器模型，分析了該牽引變壓器在短路情況下的三維漏磁通分布。在獲得最大漏磁通基礎(chǔ)上，計(jì)算了牽引變壓器繞組在突發(fā)短路電流作用下的電磁力，為進(jìn)一步研究變壓器在突發(fā)短路情況下繞組的失穩(wěn)校核提供可靠、科學(xué)的數(shù)據(jù)。

[1] 湯蘊(yùn)繆.電機(jī)學(xué)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 瓦斯京斯基 CB.變壓器的理論和計(jì)算[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1983.

[3] 馮慈璋.電磁場[M].北京: 高等教育出版社,1979.

[4] 劉國強(qiáng),趙凌志.Ansoft 工程電磁場分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.