大型電力變壓器拉板渦流損耗的研究

劉丹丹，劉文里，王錄亮

(哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江哈爾濱150080)

0 引言

在變壓器運(yùn)行中，由于漏磁場(chǎng)的作用會(huì)在變壓器金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗［1］。鐵芯拉板位于鐵芯疊片和線圈之間，該處是電力變壓器中的高漏磁區(qū)域，容易造成渦流損耗的過(guò)度集中，引起局部過(guò)熱［2］。因此分析拉板的渦流分布，采取相應(yīng)措施避免由此產(chǎn)生的局部過(guò)熱，對(duì)變壓器的正常運(yùn)行具有重要意義。本文通過(guò)對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，建立了求解電力變壓器拉板的三維漏磁場(chǎng)模型，結(jié)合1臺(tái)180 MVA變壓器，用ANSYS有限元法獲得了拉板渦流損耗密度分布，并計(jì)算分析了拉板不同開(kāi)槽數(shù)、開(kāi)槽長(zhǎng)度和開(kāi)槽寬度對(duì)拉板渦流損耗分布的影響。

1 模型建立

由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不具有整體軸對(duì)稱性，漏磁場(chǎng)產(chǎn)生區(qū)域的幾何形狀極不規(guī)則，二維模型只能視為某些局部場(chǎng)域的近似，特別是在不能忽略端部效應(yīng)時(shí)，無(wú)法全面反映渦流損耗的分布情況。因此采用三維模型計(jì)算拉板的渦流損耗。

根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，作以下幾點(diǎn)假設(shè):

1)近似認(rèn)為金屬結(jié)構(gòu)件材料為線性、均勻、各向同性。

2)變壓器箱體關(guān)于繞組中心連線前后對(duì)稱。

3)箱蓋、箱底與側(cè)壁為直角連接。

4)忽略拉板的固定孔。

模型如圖1所示，其中繞組、拉板模型如圖2所示。

利用SOLID117單元計(jì)算拉板渦流損耗，不考慮拉板渦流的去磁作用及位移電流的影響。渦流區(qū)(油箱、拉板、壓板)的自由度設(shè)置為AZ，非渦流區(qū)(繞組、鐵芯、油)的自由度設(shè)置為 AZ，VOLT［3］。由于集膚效應(yīng)，磁場(chǎng)將從導(dǎo)體表面沿垂直方向向內(nèi)部衰減，形成透入深度的現(xiàn)象。大型電力變壓器的拉板一般使用低導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料［4］，其透入深度為幾十毫米，大于拉板厚度，所以劃分網(wǎng)格時(shí)分層較少。變壓器油箱使用低碳鋼材料，其透入深度為2.03 mm，小于油箱厚度，故油箱厚度方向應(yīng)多層剖分使每層厚度小于其透入深度。由于油箱、拉板、繞組幾何形狀規(guī)則，并考慮到所關(guān)心區(qū)域的計(jì)算精度，所以選用掃略網(wǎng)格剖分方式進(jìn)行剖分，其余部分選用自由網(wǎng)格剖分方式，相應(yīng)的有限元剖分單元數(shù)為145 339，節(jié)點(diǎn)數(shù)為318 649。選用三維諧波場(chǎng)對(duì)渦流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，在繞組上施加電流密度載荷;在油箱外表面和軸對(duì)稱面施加磁力線平行邊界條件，滿足第一類邊界條件;在其它邊界面施加磁力線垂直邊界條件，滿足第二類邊界條件。

2 計(jì)算原理

在三維渦流場(chǎng)的研究中通常把區(qū)域分成渦流區(qū)和非渦流區(qū)兩部分，如圖3所示。

圖3 求解區(qū)域圖

在渦流區(qū)采用矢量磁位→A和標(biāo)量電位φ作為未知函數(shù)，在非渦流區(qū)只用→A作未知函數(shù)。由麥克斯韋方程組可知，在V1內(nèi):

在V1內(nèi):

在V2內(nèi):

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)1臺(tái)180 MVA/220 kV三繞組變壓器高－中運(yùn)行時(shí)的拉板磁通密度、渦流密度、渦流損耗密度進(jìn)行計(jì)算分析。

1)拉板不開(kāi)槽、開(kāi)1～3槽對(duì)渦流分布的影響。拉板開(kāi)槽數(shù)變化時(shí)，渦流密度和渦流損耗密度分布分別如圖4、圖5所示。圖4、圖5中拉板長(zhǎng)2.51 m，寬0.3 m，厚0.01 m，沿拉板高度方向在其上開(kāi)有長(zhǎng)2.46 m、寬0.015 m的通槽，表1為拉板開(kāi)槽數(shù)改變時(shí)磁通密度幅值和渦流損耗值的變化。

表1 拉板開(kāi)不同槽數(shù)時(shí)磁通密度幅值和渦流損耗值

從圖4、圖5、表1可以看出，拉板開(kāi)槽可減小拉板渦流損耗密度，拉板環(huán)流區(qū)也明顯減小。這是由于拉板處于繞組漏磁場(chǎng)的輻向漏磁通過(guò)的位置，拉板開(kāi)槽以后，通過(guò)分隔開(kāi)的每一部分的輻向磁通減少，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減少，另外拉板開(kāi)槽使其內(nèi)阻增大，而渦流回路長(zhǎng)度幾乎沒(méi)有變化，因此渦流密度降低，渦流損耗也降低。開(kāi)槽還可以抑制環(huán)流的產(chǎn)生。最大的渦流損耗密度出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)繞組端部的拉板邊緣，是拉板最易產(chǎn)生局部過(guò)熱的位置，拉板開(kāi)槽后，渦流損耗密度明顯下降，其中開(kāi)一槽效果最為明顯，隨著開(kāi)槽數(shù)的增加效果稍有下降。開(kāi)三槽的渦流損耗密度趨于平均，沒(méi)有局部過(guò)大的渦流損耗密度。由于在拉板上開(kāi)槽會(huì)降低拉板的機(jī)械強(qiáng)度，所以開(kāi)槽數(shù)不宜過(guò)多。

2)拉板開(kāi)三槽時(shí)開(kāi)槽長(zhǎng)度和寬度變化對(duì)渦流分布的影響。隨拉板開(kāi)槽長(zhǎng)度改變時(shí)各物理量幅值變化如表2所示。隨拉板開(kāi)槽寬度改變時(shí)各物理量幅值的變化如表3所示。

表2 拉板開(kāi)不同槽長(zhǎng)時(shí)各量幅值(槽寬為0.015 m)

表3 拉板開(kāi)不同槽寬時(shí)各量幅值(槽長(zhǎng)為2.46 m)

由表2可以看出槽長(zhǎng)度的增加可以減小拉板的渦流密度。但損耗值不是隨槽長(zhǎng)的增加而線性減小，槽長(zhǎng)增加到一定值后，損耗減小效果降低。

由表3可以看出增加槽寬度可以減小拉板的渦流密度。但槽寬變化對(duì)拉板損耗的降低效果沒(méi)有槽長(zhǎng)變化時(shí)大。受溫升和機(jī)械強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)拉板的開(kāi)槽，開(kāi)槽數(shù)不宜過(guò)多，且開(kāi)槽長(zhǎng)度一定要超過(guò)繞組高度。

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用建立的電力變壓器鐵芯拉板三維漏磁場(chǎng)模型對(duì)變壓器漏磁場(chǎng)、渦流密度和渦流損耗密度的計(jì)算分析，并經(jīng)算例驗(yàn)證，其結(jié)果為拉板開(kāi)槽數(shù)、開(kāi)槽長(zhǎng)度、開(kāi)槽寬度的增加可有效地減小拉板渦流損耗，進(jìn)而避免了渦流產(chǎn)生的變壓器過(guò)熱。

［1］路長(zhǎng)柏．電力變壓器理論與計(jì)算［M］．沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007．

［2］謝毓城．電力變壓器手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［3］閻照文．ANSYS 10.0工程電磁分析技術(shù)與實(shí)例詳解［M］．北京:中國(guó)水利電力出版社，2006．

［4］井永騰，李 巖，李洪奎，等．基于ANSYS軟件的電力變壓器磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)件損耗計(jì)算［J］．變壓器，2009.46(7):5－7．