電力變壓器本體漏磁與雜散損耗分析

王雪軍

摘? 要：大容量電力變壓器局部過熱現(xiàn)象一直存在，控制局部過熱的方法比較多，可以通過增加電磁屏蔽來減少電磁損耗，從而避免局部過熱問題。這就需要對變壓器的雜散損耗進行精確計算，以便準確布置電磁屏蔽。我們可以針對具體的三相變壓器設(shè)計進行有限元建模，然后進行仿真計算。我們針對油箱箱蓋折彎角度不同的情況下對變壓器漏磁場和損耗分布進行計算，分析漏磁和損耗最大處的影響，然后就可以確定出最優(yōu)的設(shè)計方案。這樣才能滿足用戶的需求。

關(guān)鍵詞：變壓器;折彎角度;漏磁場;損耗

中圖分類號：TM411? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

1 產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型的建立和具體設(shè)計

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

我們可以使用三維有限元建模來進行電力變壓器樓磁場的計算，并計算出結(jié)構(gòu)件當(dāng)中的損耗。該次我們使用MAGNET軟件對變壓器的三維渦流漏磁場進行計算。由于這種計算十分浪費時間，我們可以在建立幾何模型時進行簡化：1）變壓器的結(jié)構(gòu)是相對來說比較對稱的，根據(jù)我們所需要了解的對象，可以選取變壓器的一半進行求解計算。該文主要研究了箱蓋折彎角度和樓磁場之間的關(guān)系，因此需要對高低壓側(cè)分別建立數(shù)學(xué)模型。2）在計算當(dāng)中由于磁屏蔽板的縫隙對試驗結(jié)果影響可忽略不計，因此忽略了磁屏蔽板間縫隙。3）研究主要針對結(jié)構(gòu)件漏磁分析，因此可將高低壓繞組分別簡化成實體圓筒繞組。

1.2 產(chǎn)品具體設(shè)計

我們所研究的對象為三相電力變壓器SFP-210000/110。用戶提出的技術(shù)指標(biāo)為：額定容量210 MVA，額定電壓228±2×2.40%/16 kV，額定電流 1001/14658.3 A，頻率是50 Hz，短路阻抗18.00±5%，連接組別YNd11。經(jīng)過初步設(shè)計可以將所用材料及鐵芯結(jié)構(gòu)選定如下：鐵芯結(jié)構(gòu)：三相五柱式;鐵芯材質(zhì)：30ZH120 硅鋼片;拉板拉帶材質(zhì)：20Mn23Al 低磁鋼板;其余：Q235B 普通鋼板。

降低損耗的主要方式是加裝電磁屏蔽，這樣能夠很好地降低由于雜散損耗引起的局部過熱。高低壓側(cè)油箱箱蓋的折彎角度均為30°。

在進行產(chǎn)品三維計算過程中，由于實際需要，高壓側(cè)套管選用導(dǎo)桿式套管。由于其尾部帶電直徑大的特點，所以需要增加高壓升高座直徑，這樣才能夠滿足絕緣距離。由于存在局部過熱和絕緣間距的要求，因此需要將高壓側(cè)箱蓋折彎角度變大，這樣可以有效提高絕緣距離。因此將油箱高壓側(cè)箱蓋折彎改為40°。該產(chǎn)品所要求的短路阻抗為18%，這個數(shù)值也高于同類其他產(chǎn)品，因此需要將影響局部過熱現(xiàn)象的位置降低漏磁。三維軟件分析圖顯示上夾件渦流損耗位置及大小分布，以及磁滯損耗分布。這樣可以直觀的看到漏磁場和損耗位置，設(shè)計過程中避免這些問題，最終產(chǎn)品滿足客戶的需要。

2 三維模擬數(shù)據(jù)分析

該次主要是研究了箱蓋折彎角度不同時對電力變壓器漏磁場和損耗的分析，主要是研究了2種情況，包括高壓側(cè)升高座位置箱蓋30°折彎時的漏磁損耗分布和折彎角度為40°時高壓側(cè)升高座位置箱蓋的漏磁場及損耗分布。

測算過程中所使用的具體情況見表1。

經(jīng)過磁場分布云圖計算得到的以下結(jié)果：

1）低壓側(cè)油箱壁磁屏蔽處的最大漏磁磁通密度為0.58 T;低壓側(cè)的油箱箱蓋上普通鋼板的磁通密度較大。

2）高壓側(cè)油箱箱蓋采用30°折彎角時，鐵芯下腹板磁屏蔽處的磁通密度最大值為0.56 T，油箱箱蓋彎折處的磁通密度最大值為0.48 T。

3）高壓側(cè)油箱箱蓋采用40°折彎角時，磁通密度云圖變化不大，而箱蓋處的磁通密度有一定的變化。油箱內(nèi)部的漏磁場會稍微發(fā)生變化，而箱蓋處的最大磁密度是0.52 T，這個數(shù)值要高于箱蓋小折彎的磁通密度。

經(jīng)過以上分析對比可以得出最終結(jié)論，高壓側(cè)箱蓋折彎角度會對折彎處的磁通密度有影響，會使磁通密度增大，而其余部位的磁通密度均影響不是很大，都在正常最大值范圍內(nèi)，因此可以適當(dāng)增加箱蓋折彎角度進行設(shè)計。

2.2 雜散損耗的計算結(jié)果和分析

在對該產(chǎn)品進行三維測算時發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)箱蓋損耗值略高于允許值。而高壓側(cè)鐵芯中心柱體拉板位置損耗在上夾件位置處，為483.7 kW/m3。油箱箱蓋折彎處磁密度損耗高于其他位置，為24.8 kW/m3，屬于在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。當(dāng)高壓側(cè)油箱箱蓋折彎角度變大時，損耗分布和30°相同，但是損耗密度不應(yīng)超過設(shè)計允許范圍。

根據(jù)數(shù)據(jù)模擬，求得中心柱拉板處最大損耗密度為483.7 kW/m3，低壓側(cè)箱蓋折彎處（30°）最大損耗密度為448.5 kW/m3，均高出理論允許最大值390 kW/m3。但是這些位置所占總體比重很小，在運行過程中由于冷卻油流速大，不會造成溫升過高的問題。而根據(jù)高壓側(cè)箱蓋折彎角度不同時會增加最大損耗密度，但是增加值較小，這說明箱蓋折彎角度會影響雜散損耗，隨著角度的變大雜散損耗也會增加，但是對比各位置變壓器油流速等，也不會造成變壓器整體溫升問題。

2.3 短路阻抗計算及驗證

能量法中的短路阻抗值通過磁場儲能求解，所述變壓器能量仿真計算值為147884.16 J，其短路阻抗百分比仿真數(shù)值為：

式中：

Uk%——短路阻抗百分數(shù)。

f—變壓器額定頻率。

W—磁場儲能。

S —變壓器額定容量。

在變壓器高壓側(cè)接入電壓，低壓側(cè)短路，進行變壓器短路阻抗試驗，測得高壓側(cè)電壓為22.28 kV，短路電流為482.6 A，變壓器短路阻抗百分比試驗數(shù)值為：

式中：Un、In分別為高壓側(cè)繞組的額定電壓、電流值;Ukt、Ik分別為短路阻抗試驗中測得的電壓、電流值。按照該產(chǎn)品設(shè)計需求，短路阻抗為18.00±5%，有限元仿真數(shù)值為18.12，短路阻抗試驗室測量數(shù)值為17.93，二者均滿足±5%偏差要求，且仿真計算結(jié)果可信，與實際試驗結(jié)果差值滿足± 5%偏差要求。

3 結(jié)語

變壓器是電網(wǎng)當(dāng)中重要的一部分，我國電網(wǎng)的升級改造以及用電質(zhì)量的提高都離不開高品質(zhì)的電力變壓器的使用。變壓器設(shè)計工作又是變壓器質(zhì)量提升的關(guān)鍵。提升變壓器質(zhì)量，降低制作成本，保障變壓器安全穩(wěn)定地運行是每個設(shè)計者的責(zé)任。通過該文可以看出，油箱箱蓋的折彎角度大小會影響到油箱折彎處箱蓋的磁通密度分布及大小，在折彎角度變大時磁通密度和雜散損耗會隨之增加，因此可以在滿足基本設(shè)計要求的情況下，適當(dāng)增加油箱箱蓋折彎角度，這樣能夠有利于對材料的節(jié)省。

參考文獻

[1]李俊卿， 田小靜.大型電力變壓器漏磁場和雜散損耗的研究[J]. 電力科學(xué)與工程，2018，34（8）：1-5.

[2]鄭林楠.高阻抗變壓器的雜散損耗及熱問題計算與分析[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.