導(dǎo)磁鋼板的渦流場仿真分析

王曉帆　曹陽

摘 要：近幾年，大型電力變壓器的雜散損耗問題一直是變壓器工程內(nèi)的經(jīng)典難題，對實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真而言更是一個(gè)長期的課題。對變壓器中各個(gè)器件的損耗大小及分布問題還沒有一個(gè)令人信服的結(jié)果。變壓器容量的增大，將引起漏磁場增大，渦流損耗隨之增大，從而導(dǎo)致的局部過熱就會(huì)越突出，這會(huì)給電網(wǎng)和變壓器廠商帶來極大的損失。因此，對變壓器中的各個(gè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行研究，分析其中的損耗情況，具有很重要的理論和實(shí)際意義。文章介紹了電氣工程中的渦流場問題，論述了變壓器渦流場計(jì)算的意義和目的，并對兩種常見的渦流場的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，對導(dǎo)磁鋼板的損耗進(jìn)行了分析和計(jì)算，最后討論了減少導(dǎo)磁鋼板中渦流損耗的方法。

關(guān)鍵詞：變壓器；導(dǎo)磁鋼板；渦流損耗；局部過熱

1 渦流損耗的研究意義

對電氣工程中常見的渦流問題，國際電磁界和各國工業(yè)部門都投入了很多的精力，并已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。然而針對于大型電力變壓器相關(guān)的渦流損耗研究，雖然國內(nèi)外三維分析技術(shù)已經(jīng)成熟，目前仍然存在著不少難題，值得相關(guān)領(lǐng)域研究人員進(jìn)一步的探索[1-2]。

由于電力變壓器單臺容量的不斷增加，電力變壓器的漏磁場以及由此在油箱和結(jié)構(gòu)件中引起的雜散損耗效果明顯增加。因此一些小容量變壓器可以忽視的問題，在大容量變壓器中必須得以重視。局部過熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是因?yàn)樽儔浩鹘Y(jié)構(gòu)件的復(fù)雜性和不規(guī)則性導(dǎo)致雜散損耗在構(gòu)件中的分布非常不均勻而引起的，這一現(xiàn)象使得變壓器的運(yùn)行可靠性大大降低[3-4]。實(shí)踐表明，確定變壓器的渦流分布及損耗分布，合理布置屏蔽，不僅使變壓器達(dá)到技術(shù)性能指標(biāo)，還能有效降低損耗，增強(qiáng)變壓器運(yùn)行時(shí)的可靠性[5-7]。

2 渦流分析的基本方法

從20世紀(jì)末開始，人們就已經(jīng)通過各種位組來對三維渦流進(jìn)行計(jì)算與分析。在這其中最基本的渦流分析方法是A-V-A法和T法。A-V-A法可以對非線性、多子域和多連通等工程中存在的復(fù)雜問題進(jìn)行分析。而T是另一種渦流分析的有效方法，它未知量少、運(yùn)算量小、結(jié)果簡單易實(shí)現(xiàn)，但它通常對多連通問題不能有效的求解。這兩種方法都有自身的適用性，可以將它們結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢來解決渦流分析。

3 導(dǎo)磁鋼板中渦流損耗的計(jì)算

一般情況下，導(dǎo)磁鋼板中的損耗包括渦流損耗和磁滯損耗。磁通密度Bm和磁滯損耗Wm兩者的關(guān)系曲線是Bm-Wm曲線，通過這條曲線，我們能得到磁滯損耗。對導(dǎo)磁鋼板中的渦流損耗，可以采用A-V-A法進(jìn)行計(jì)算：

4 計(jì)算模型

雜散損耗問題，對實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真而言都是一個(gè)復(fù)雜的經(jīng)典難題。計(jì)算雜散損耗需要構(gòu)建大型復(fù)雜的三維模型，考慮導(dǎo)磁和非導(dǎo)磁等多種材料、材料的非線性和各向異性、磁滯現(xiàn)象、集膚效應(yīng)等，雜散損耗是由雜散場產(chǎn)生的，與復(fù)雜的整體三維漏磁場相關(guān)，在考察局部過熱時(shí)還要考慮與溫度場的耦合。所以，求解局部的雜散損耗實(shí)際上與求解整個(gè)漏磁場密不可分，這勢必導(dǎo)致問題復(fù)雜化，而且，如何驗(yàn)證雜散損耗的分析方法的有效性，也是一個(gè)非常困難的難題。

TEAM Problem 21基準(zhǔn)模型族里面就提供了導(dǎo)磁鋼板的損耗測試實(shí)驗(yàn)值，其中以變壓器油箱為背景的導(dǎo)磁鋼板的基準(zhǔn)模型命名是P21-B，它的工程背景是模擬變壓器中的導(dǎo)磁和非導(dǎo)磁鋼結(jié)構(gòu)，即變壓器油箱基本上由普通A3鋼制成，只是在大電流引線穿越的附近區(qū)域采用非導(dǎo)磁鋼，以減少渦流損耗，避免箱體局部可能的損耗密度集中。

隨著導(dǎo)磁鋼板所分層數(shù)增加，損耗密度逐漸增大，總損耗值也越來越大，說明總損耗值與實(shí)際越來越接近。渦流損耗隨著層數(shù)增加損耗值也越來越大。同時(shí)，磁滯損耗的數(shù)值相對于其他數(shù)值并不小，因此它是不可忽略的。

5 減少變壓器導(dǎo)磁鋼板渦流損耗的措施

減少漏磁場的大小是降低漏磁場所引起的渦流損耗的最有效的措施。當(dāng)漏磁場數(shù)值一定時(shí)，可以通過以下措施來降低導(dǎo)磁鋼板的渦流損耗：

5.1 改善漏磁場分布

通過將漏磁場的分布進(jìn)行改善，使漏磁場沿著引起最小損耗的磁路通過。實(shí)際中，可以在油箱壁的附近安裝由鋁板或銅板制成的電磁屏蔽或由硅鋼片制成的磁屏蔽來減少渦流損耗。

5.2 改善繞組尺寸和結(jié)構(gòu)

通過將繞組的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善的方式來減少損耗，在垂直于磁場方向選用尺寸不大的導(dǎo)線可以有效地減小附加損耗。

5.3 采用磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率低的材料

通過采用絕緣材料來制造夾件、壓板及其他零件可以將結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱情況有效的改善，從而減小其渦流損耗大小。

6 結(jié)束語

文章介紹了電氣中的渦流場問題，并對渦流損耗的兩種常見計(jì)算方法A-V-A和進(jìn)行了簡單介紹，然后對基于TEAM Problem 21模型下的導(dǎo)磁鋼板中的損耗進(jìn)行了計(jì)算，得出了導(dǎo)磁鋼板不同分層下的渦流損耗值，文章對減少渦流損耗的幾種方案進(jìn)行了分析，研究導(dǎo)磁鋼板的渦流損耗問題為變壓器的設(shè)計(jì)和改善提供了理論上的指導(dǎo)，并對實(shí)際工程實(shí)踐有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡介：王曉帆（1989-），女，遼寧省沈陽市人，工作單位：特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司，職務(wù)：設(shè)計(jì)員，研究方向：電力變壓器設(shè)計(jì)。