干式變壓器結(jié)構(gòu)件局部過熱研究

馬嬙 劉飛達

摘要：本文通過對一臺干式變壓器仿真模型的數(shù)值計算與分析，對該變壓器磁場進行了研究，同時將計算值與試驗值進行比對，以便服務(wù)于今后的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：干式變壓器；磁場

1 引言

在電力變壓器中，繞組電流產(chǎn)生的漏磁場將在金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生附加損耗，這些損耗分布并不均勻，集中在小面積上的損耗往往會引起結(jié)構(gòu)件的局部過熱[1]。研究可靠準確的磁場、損耗的計算方法，進而準確地分析和計算結(jié)構(gòu)件中的損耗對于產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)是至關(guān)重要的[2]。本文研究了一臺干式變壓器渦流場和溫度場情況，同時將計算值與試驗值進行比對，為以后的設(shè)計計算提供依據(jù)。

2 計算方法與條件

2.1 計算方法

利用大型電磁場軟件包Maxwell，對變壓器模型進行三維渦流場的數(shù)值計算，三維渦流場采用矢量磁位（A-V-A）方法計算，渦流損耗 計算公式為[3]：

（1）

式中 -金屬材料的電導(dǎo)率

-單元體積

-金屬材料感應(yīng)渦流密度

感應(yīng)渦流密度表達式為：

（2）

通過計算求得結(jié)構(gòu)件的損耗，使其作為溫度場計算的激勵，和溫度場進行耦合計算，得到結(jié)構(gòu)件的溫度分布情況和熱點溫升。本文即采用有限元計算軟件仿真計算和試驗結(jié)果相結(jié)合的方法，總結(jié)經(jīng)驗，為后續(xù)設(shè)計工作提供參考意見。

2.2 計算條件

2.2.1 材料屬性的選取

金屬材料的電導(dǎo)率取20℃時的值，銅線的電導(dǎo)率為 S/m，相對磁導(dǎo)率 ；導(dǎo)磁鋼板電導(dǎo)率為 S/m，非導(dǎo)磁鋼板電導(dǎo)率 S/m，兩者相對磁導(dǎo)率 。

2.2.2 計算求解的設(shè)置

在渦流場計算中，存在著結(jié)構(gòu)件龐大的幾何尺寸與導(dǎo)磁鋼板很小的透入深度之間的矛盾。理論分析和計算經(jīng)驗表明，為了得到足夠精確的計算結(jié)果，采用有限元進行電磁場分析時，需要在一個透入深度內(nèi)剖分多層網(wǎng)格單元，由于對計算機硬件的要求，這就需要我們在計算中選擇適當(dāng)?shù)木群陀邢拊獑卧史?，單元剖分越細，計算的精度也越高。計算軟件在有限元剖分和方程求解方面為用戶提供了一些控制誤差選項，作者限定了網(wǎng)格最大剖分單元尺寸，求解的迭代控制誤差控制在0.001。

2.2.3 計算模型

在建立變壓器渦流模型時，做了以下幾點假設(shè)[4]：

（1）模型關(guān)于繞組中心連線前后對稱。

（2）近似認為結(jié)構(gòu)件材料為線性、均勻、各向同性。

（3）所有場量均隨時間作正弦變化，不考慮高次諧波。

（4）忽略鐵芯內(nèi)的位移電流的影響。

3計算與分析

本文以一臺三相干式變壓器為例，激勵按50HZ工頻計算，分析計算了該臺變壓器渦流場磁感應(yīng)強度分布及溫度場分布情況。變壓器仿真模型如圖1所示。

3.1 產(chǎn)品渦流場計算結(jié)果

按照上述計算方法對變壓器模型進行計算條件設(shè)置，通過仿真計算得到上夾件和下夾件計算結(jié)果如圖2所示。

從以上的計算結(jié)果可以看出：線圈端部對應(yīng)的夾件和拉板位置處，磁感應(yīng)強度要大一些，這是因為在線圈端部漏磁場強度要大一些。上夾件的上邊緣和下夾件的下邊緣明顯高于中間部分，也是由于線圈漏磁通穿過夾件產(chǎn)生的渦流損耗路徑的影響。

3.2產(chǎn)品溫度場計算結(jié)果

通過以上渦流場的計算可以得到變壓器上、下夾件各處的磁場強度和磁感應(yīng)強度。通過進一步的計算，求得結(jié)構(gòu)件由漏磁引起的渦流損耗。將渦流場計算得到的損耗作為溫度場計算的激勵加載到溫度場中進行計算，得到結(jié)構(gòu)件的溫度分布情況和熱點溫升。通過溫度場計算結(jié)果可以看出溫升高的地方與渦流場計算出來磁感應(yīng)強度大的地方相對應(yīng)，上夾件的最大熱點溫升達到24.9k，下夾件的最大熱點溫升達到28.7k。

4計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

仿真軟件計算出來的溫升值需要加上試驗現(xiàn)場的環(huán)境溫度值，即為結(jié)構(gòu)件最終的溫度值。線圈底部的氣流溫度可近似看成等同于環(huán)境溫度，但是線圈上部的出口氣流溫度會比線圈底部進口氣流溫度要高，高出來的這部分溫度值我們是用下夾件的溫升值衡量出來的。計算所得的結(jié)構(gòu)件最終溫度值與試驗值對比情況如表1所示。由于是三相變壓器，理論上A、C相是對稱的，故省略C相的計算值。結(jié)構(gòu)件溫度計算值與試驗值相對誤差如表2所示。

從以上結(jié)果可以看出，A、B相下夾件溫度計算值與試驗值吻合較好，偏差較小，所有誤差均在工程設(shè)計合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)論與展望

從上述計算結(jié)果可以看出，在磁場強度較大的位置處，對應(yīng)溫度場熱點溫升較大，計算值加上經(jīng)驗修正值后，與試驗值基本吻合。本文研究的計算方法和計算數(shù)據(jù)可以服務(wù)于工程產(chǎn)品設(shè)計，為將來產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料選型，損耗計算提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻

[1] 謝毓城.電力變壓器手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2] 劉傳彝.電力變壓器設(shè)計計算方法與實踐[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[3] 王建民，張元錄，高生，等.大型變壓器三維渦流場和結(jié)構(gòu)件雜散損耗的工程研究[J].變壓器，2012，49（2）：1-3.

[4]井永騰，李巖，等.基于ANSYS軟件的電力變壓器磁場和結(jié)構(gòu)件損耗計算[J].變壓器，2009，46（7）：1-3.

（作者單位：特變電工沈陽變壓器集團有限公司）