一種三相三柱式變壓器鐵心夾件的改進結(jié)構(gòu)

符雪鵬 苑東升

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一種三相三柱式變壓器鐵心夾件的改進結(jié)構(gòu)

符雪鵬 苑東升

（特變電工沈陽變壓器集團有限公司，沈陽 110144）

本文提出了一種三相三柱式變壓器鐵心夾件結(jié)構(gòu)，通過采用有限元（FEM）分析軟件ANSOFT對該種結(jié)構(gòu)進行3D漏磁場建模分析，對比其他兩種常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)，對變壓器漏磁場及結(jié)構(gòu)件熱點溫升進行仿真研究，通過對比分析，得出該種結(jié)構(gòu)可以有效避免三相三柱變壓器鐵心外側(cè)漏磁通引起的結(jié)構(gòu)件過熱的問題，也有效降低了三相三柱式鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)耗，為大型三相三柱式變壓器的安全可靠運行提供了強有力的保障和支持。

三相三柱式變壓器；有限元；夾件結(jié)構(gòu)；漏磁場；熱點溫升；結(jié)構(gòu)耗

隨著國內(nèi)外電力行業(yè)的迅速發(fā)展，變壓器容量和電壓等級不斷提高，變壓器的結(jié)構(gòu)越來越復雜，由漏磁通引起金屬結(jié)構(gòu)件的局部過熱問題愈來愈突出。長期以來，對于三相三柱式變壓器，由于A、C兩相鐵心外側(cè)的線圈間主漏磁場處于三柱鐵心的外側(cè)，很難采用鐵心磁屏蔽措施解決外側(cè)漏磁問題，也就是說外側(cè)的漏磁集中通常會造成外側(cè)的鐵心夾件等結(jié)構(gòu)件渦流損耗過高、結(jié)構(gòu)件發(fā)熱、溫升超標、變壓器產(chǎn)氣，甚至造成變壓器的事故。這也是三相三柱式鐵心變壓器結(jié)構(gòu)耗一直比三相五柱式鐵心變壓器大的多的根本原因。因此，對于三相三柱式變壓器金屬結(jié)構(gòu)件渦流場的分析和各種金屬結(jié)構(gòu)件渦流損耗的計算也變得愈來愈重要。

對于大容量的變壓器往往由于運輸或者安裝尺寸的限制，通常會采用三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)。而對于大容量的變壓器采用三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)，很難在A相和C相外側(cè)的夾件上布置磁屏蔽，以減小漏磁；而且即使在A相和C相外側(cè)的區(qū)域布置了磁屏蔽，由于外側(cè)的磁屏蔽并不能將漏磁有效的導進鐵心中，而使A相和C相外側(cè)鐵心夾件依然處于漏磁集中區(qū)域，因此并不能有效地解決外側(cè)夾件過熱的問題，也不能有效降低因漏磁而使結(jié)構(gòu)件損耗增加的問題，效果不是非常的理想。本文采用有限元（FEM）分析軟件ANSOFT對一臺美國300MVA 345kV三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器3D漏磁場進行建模分析，經(jīng)過多種結(jié)構(gòu)對比并建模驗證，確定了一種新的結(jié)構(gòu)方式，有效地避免了漏磁原因造成的三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)外側(cè)鐵心夾件過熱的問題。

1 產(chǎn)品基本參數(shù)及建模

本文中案例變壓器產(chǎn)品型號為OSFS-300000- 345，鐵心為三相三柱式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品運行頻率為60Hz，高-中阻抗為12%，產(chǎn)品容量為300MVA，高壓額定電壓為345kV，中壓額定電壓為230kV。本案例產(chǎn)品的鐵心、油箱等金屬件溫升值要求為80K。

結(jié)合產(chǎn)品鐵心及油箱結(jié)構(gòu)建立漏磁場模型，圖1所示應用有限元軟件仿真圖。

圖1 三相三柱式鐵心漏磁場溫度分布圖

在圖1中可以看出，對于三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)在A相和C相外側(cè)的漏磁通并不能直接進入鐵心，因此，兩側(cè)線圈外側(cè)的漏磁場比較大，而使得兩側(cè)上下部的夾件溫升較大。而且，對于兩側(cè)的漏磁場并不能在外側(cè)增加磁屏蔽措施將漏磁直接導入鐵心，即使硬性的增加磁屏蔽措施，在鐵心外側(cè)漏磁也不能直接導入鐵心形成有效回路，A相和C相外側(cè)的夾件依然處于漏磁集中區(qū)域，外側(cè)的夾件依然會出現(xiàn)過熱的問題，而且外側(cè)夾件因處于漏磁區(qū)域，依然會增大結(jié)構(gòu)件的損耗，因此該種方法的漏磁的控制效果很難滿足大容量三相三柱式變壓器的性能要求。

2 三種結(jié)構(gòu)建模及對比分析

對于本臺產(chǎn)品，下夾件較上夾件距離線圈端部更近，即下夾件所處漏磁場位置更加集中，在圖1中可見在器身兩外側(cè)的下部夾件處溫升最高。本文以下夾件為例進行簡單建模，針對3種不同夾件結(jié)構(gòu)進行對比分析。

2.1 常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)

通常，常規(guī)的夾件結(jié)構(gòu)在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，由于在A相和C相外側(cè)的夾件區(qū)域放置“L”型磁屏蔽并不能將線圈外側(cè)的漏磁導進鐵心中，所以夾件外側(cè)及其他位置不做其他措施改進。三相三柱式鐵心常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)漏磁場溫升分布圖如圖2所示。

圖2 三相三柱式鐵心常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)漏磁場溫升分布圖

從圖2中可以看出，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并不能減少兩側(cè)線圈外側(cè)的漏磁，因此兩側(cè)線圈外側(cè)的下部夾件溫度依然很高，對空氣的溫升最高約為91K。

2.2 常規(guī)改進夾件結(jié)構(gòu)

相對于常規(guī)的夾件結(jié)構(gòu)，工程上通常對結(jié)構(gòu)進行一些改進，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并在兩側(cè)線圈外側(cè)漏磁集中處的上下部夾件增開散熱槽。三相三柱式鐵心常規(guī)改進結(jié)構(gòu)漏磁場溫升分布圖如圖3所示。

圖3 三相三柱式鐵心常規(guī)改進結(jié)構(gòu)漏磁場溫升分布圖

從圖3中可以看出，在兩側(cè)線圈外側(cè)漏磁集中處的上、下部夾件增開散熱槽，改進后方案下夾件對空氣的溫升最高約為76K，相對常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)稍有改善上、下部夾件的溫升值，但是效果并不是非常顯著。

2.3 改進后的夾件結(jié)構(gòu)

對于一些大容量的三相三柱式變壓器，以上兩種結(jié)構(gòu)的夾件結(jié)構(gòu)并不能滿足產(chǎn)品的性能要求，因此本文提出了一種新的結(jié)構(gòu)形式，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并在上下部夾件兩側(cè)漏磁集中處開始向外側(cè)去掉一個臺階，本臺產(chǎn)品臺階尺寸為80mm。三相三柱式鐵心改進結(jié)構(gòu)后漏磁場溫升分布圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，在上下部夾件兩側(cè)漏磁集中處開始向外側(cè)去掉一個臺階后，能明顯改善上、下部夾件的溫升值，改進后方案下夾件對空氣的溫升最高僅約為61K，效果顯著，很好地保障了產(chǎn)品的性能。

圖4 三相三柱式鐵心改進結(jié)構(gòu)后漏磁場溫升分布圖

2.4 三種結(jié)構(gòu)對比分析通過三種結(jié)構(gòu)建模后的漏磁場溫升分布圖的對比

可以看出，本文提出的第三種改進結(jié)構(gòu)效果比較明顯，建模仿真后的下部夾件的溫升值最高僅為61K，較前兩種結(jié)構(gòu)的91K和76K有非常大的優(yōu)勢，可以很好地解決三相三柱式線圈漏磁造成外側(cè)鐵心夾件過熱的問題，將兩側(cè)線圈外側(cè)漏磁集中的夾件去掉一部分后，減少了該部分結(jié)構(gòu)件的漏磁損耗，也就是減少了變壓器的結(jié)構(gòu)件損耗。

該產(chǎn)品按照這種改進結(jié)構(gòu)進行了試制，效果顯著，實測結(jié)果與建模結(jié)果相近，結(jié)構(gòu)件溫升較低，而且該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)耗也比其他三相三柱式鐵心的結(jié)構(gòu)耗比例系數(shù)減少很多，具體見表1。

表1 三相三柱式變壓器三種夾件結(jié)構(gòu)對比表

3 結(jié)論

本文提出了一種新型的三相三柱式鐵心夾件改進結(jié)構(gòu)，通過對比其他兩種常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件建模分析，有力地說明：該種夾件結(jié)構(gòu)可以有效避免三相三柱式鐵心外側(cè)漏磁通引起的結(jié)構(gòu)件過熱的問題。通過該結(jié)構(gòu)的實際產(chǎn)品實測結(jié)構(gòu)耗比例系數(shù)對比其他兩種結(jié)構(gòu)的常規(guī)經(jīng)驗系數(shù)，可以看出本文的改進結(jié)構(gòu)有效降低了三相三柱式鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)耗，對今后大容量變壓器采用三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)時的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很好的指導意義。

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One Type Improved Structure for Three-phase Three-limbs Transformer Clamping Plate

Fu Xuepeng Yuan Dongsheng

(Tbea Electrician Shenyang Transformer Group Co., Ltd, Shenyang 110144)

This paper presents one type structure for three-phase three-limbs transformer core clamping plate by using finite element analysis software ANSOFT (FEM) on the structure analysis of leakage magnetic field model of 3D, compared with the other two conventional clamping structure,made simulation research from transformer leakage magnetic field and the structure of hot spot temperature rise, through comparative analysis, draw this kind of structure which can effectively avoid three-phase three-limbs transformer core outer leakage flux caused structural overheating, but also effectively reduces the structure loss of three-phase three-limbs transformer,and provide a strong guarantee and support for large three-phase three-limbs transformer safe and reliable operation.

three-phase three-limbs transformer; FEM; structure of clamping plate; leakage magnetic field;hot spot temperature rise;structure loss

符雪鵬（1982-），男，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師，從事變壓器研發(fā)與設(shè)計工作。