諧波對礦用干式變壓器損耗及溫升的影響

朱晶晶，　田慕琴，　宋建成，　溫敏敏

(太原理工大學 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室， 山西 太原　030024)

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諧波對礦用干式變壓器損耗及溫升的影響

朱晶晶，田慕琴，宋建成，溫敏敏

(太原理工大學 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室， 山西 太原030024)

摘要：為了更準確地分析諧波對變壓器損耗和溫升的影響，首先建立了干式變壓器二維結(jié)構(gòu)模型，并對干式變壓器的漏磁場與諧波損耗進行了仿真計算，得到干式變壓器軸向和徑向漏磁場分布規(guī)律及諧波損耗與諧波次數(shù)、諧波含有率、諧波電流畸變率的關(guān)系；然后利用Fluent對干式變壓器二維溫度場與流體場進行了流固耦合分析，得到干式變壓器溫升與諧波次數(shù)及諧波電流畸變率的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，干式變壓器的諧波銅損耗與諧波電流含有率的平方成正比，且當諧波電流含有率一定時，近似與諧波電流次數(shù)的平方成正比；而諧波鐵損耗與諧波電壓含有率的平方成正比，但當諧波電壓含有率一定時，諧波鐵損耗隨諧波次數(shù)的增大而減小，并逐漸趨于平緩。

關(guān)鍵詞：干式變壓器； 諧波； 損耗； 溫升； 漏磁場； 溫度場

0引言

隨著井下變頻技術(shù)的不斷應(yīng)用，其在給負荷啟動帶來明顯優(yōu)點的同時，也給供電系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波污染。隨著諧波污染的加劇，諧波對變壓器造成的不利影響愈發(fā)明顯，尤其是在增加變壓器損耗、降低變壓器利用率和可靠性、減少使用壽命以及增加維修成本等方面。煤礦井下廣泛采用干式變壓器，與油浸式變壓器相比，干式變壓器具有防火性能好、耐熱和抗短路能力強、安全環(huán)保等優(yōu)點，但其導熱系數(shù)較低，使得其運行溫度明顯高于油浸式變壓器。同時，煤礦井下工作環(huán)境中由于甲烷混合氣體和煤塵等易爆物的存在，對干式變壓器的絕緣強度和散熱性能都有嚴格的要求[1-3]。相關(guān)研究表明[4]，變壓器的總損耗占總發(fā)電量的8%，其中很大一部分就是諧波損耗。所以，諧波對干式變壓器內(nèi)部損耗的影響就不得不引起足夠的重視。諧波會使煤礦井下干式變壓器的損耗增加，內(nèi)部溫度升高，造成變壓器局部過熱；且變壓器內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)分布的不規(guī)則性會加重變壓器各元件中損耗分布的不均勻性，使變壓器局部過熱現(xiàn)象愈來愈嚴重，加速絕緣老化速度，甚至可能發(fā)生絕緣擊穿[5-7]，引發(fā)井下瓦斯爆炸事故，造成巨大的生命財產(chǎn)損失。變壓器的諧波損耗問題不僅關(guān)系著供電系統(tǒng)節(jié)能運行效果，而且是變壓器產(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化過程中的關(guān)鍵問題。因此，研究變壓器的諧波損耗和溫升對提高變壓器的運行效率、降低損耗具有重要的現(xiàn)實意義。

目前變壓器銅耗和鐵耗的常用計算方法是根據(jù)變壓器內(nèi)部參數(shù)和諧波電流來計算的，但它是針對特定型號的變壓器來計算的，不具有普遍性[8-10]。變壓器的溫升一般是根據(jù)熱點公式計算，而熱點計算公式是估計得到，準確性相對較差。因此，本文首先詳細分析了諧波作用下干式變壓器的損耗和溫升，建立了干式變壓器的二維結(jié)構(gòu)模型；并采用Ansoft Maxwell軟件對干式變壓器內(nèi)部的漏磁場進行了分析，得到干式變壓器軸向和徑向漏磁場分布規(guī)律及諧波損耗與諧波次數(shù)的關(guān)系；最后利用Fluent軟件對干式變壓器進行二維溫度場與流體場的流固耦合分析，得到了其內(nèi)部溫度分布情況，指出了諧波損耗及溫升與諧波次數(shù)的關(guān)系。

1干式變壓器結(jié)構(gòu)模型

建立干式變壓器結(jié)構(gòu)模型時做了如下假設(shè)：① 忽略機械結(jié)構(gòu)部分如螺栓、結(jié)構(gòu)件等，假設(shè)干式變壓器由鐵芯、低壓繞組、高壓繞組、絕緣、散熱氣道以及干式變壓器周圍冷卻空氣等部分組成。② 假設(shè)干式變壓器內(nèi)部的漏磁場和溫度場是軸對稱分布的。③ 將鐵芯看作是一個圓柱體。

根據(jù)干式變壓器的實際結(jié)構(gòu)建立二維結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1　干式變壓器二維結(jié)構(gòu)模型

針對干式變壓器的二維結(jié)構(gòu)模型，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法對干式變壓器進行了網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2所示。

圖2　干式變壓器網(wǎng)格劃分

2漏磁場仿真

干式變壓器內(nèi)部的磁場分為主磁場和漏磁場。干式變壓器內(nèi)部的磁通大部分通過鐵芯形成閉合回路，只有極少一部分不通過鐵芯，而是經(jīng)過空氣和絕緣材料形成漏磁場[11]。干式變壓器漏磁場的準確分析是計算變壓器損耗的前提。干式變壓器運行時產(chǎn)生的漏磁場使干式變壓器的損耗增加，運行溫度升高。由于諧波的影響導致漏磁場分布不均勻，更容易造成局部過熱，導致繞組絕緣承受的電氣應(yīng)力提高而使其壽命受到較大影響。

2.1材料參數(shù)

在進行漏磁場仿真前，需設(shè)置各部件的材料屬性。干式變壓器的結(jié)構(gòu)件材料見表1。

表1　干式變壓器的結(jié)構(gòu)件材料

2.2干式變壓器的漏磁場分析

變壓器線圈導線內(nèi)不僅有負載電流，還有漏磁場產(chǎn)生的渦流，導致導線中的電流分布不均勻，從而在繞組內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗，使繞組發(fā)熱。由于集膚效應(yīng)及諧波電流等的作用，使繞組中的渦流損耗分布不均勻，并且軸向漏磁場沿繞組軸向分布的不均勻性也造成繞組端部渦流損耗過度集中，從而導致繞組局部過熱。采用Ansoft Maxwell對干式變壓器漏磁場進行仿真分析?；ㄏ碌母墒阶儔浩鞔帕€分布如圖3所示。

圖3　干式變壓器磁力線分布

由圖3可知，鐵芯內(nèi)部的磁力線幾乎全部平行于繞組，上、下端部處的磁場分布也比較發(fā)散，并在端部處磁力線發(fā)生彎曲，從而在繞組外側(cè)的空間形成閉合曲線；低壓繞組內(nèi)部的磁力線穿過低壓繞組，并在鐵芯和繞組外側(cè)的空間形成閉合回路；高壓繞組內(nèi)部的磁力線穿過高壓繞組，平行分布，并分為2路，一路進入鐵芯形成閉合回路，另一路則向外經(jīng)繞組的外部空間形成閉合回路。高壓繞組端部磁力線向外彎曲，與空氣形成漏磁回路，且由于磁勢不平衡使得繞組中部的磁力線彎曲。高壓繞組和低壓繞組端部處的磁力線比較發(fā)散，這是因為端部氣隙比較大，空氣中的磁路會發(fā)生擴張并引起邊緣效應(yīng)。高壓繞組與低壓繞組之間的主通道內(nèi)的磁力線分布最密，此處的漏磁場場強最大，并且磁力線基本上是平行于干式變壓器軸向分布的，但在繞組端部和中部有彎曲，在低壓繞組端部磁力線向著鐵芯方向彎曲，進入鐵芯形成漏磁回路。

干式變壓器低壓繞組與鐵芯間氣道內(nèi)的磁通密度分布如圖4所示。設(shè)H為總高度，R為徑向?qū)挾?，由圖4(a)可知，低壓繞組與鐵芯間軸向漏磁場在繞組端部達到最大值，并向中部逐漸減少為零，且上下對稱分布。這主要是因為磁力線在繞組中部平行于軸向，而在端部發(fā)生明顯彎曲，使得端部的軸向磁通密度增大。在繞組匝間存在由Nomex絕緣紙構(gòu)成的絕緣，使得絕緣處的磁力線發(fā)生偏折，故曲線出現(xiàn)拐點。由圖4(b)可知，低壓繞組與鐵芯間的徑向漏磁場沿徑向?qū)挾鹊脑黾佣饾u增大，在靠近低壓繞組處達到最大。因此，低壓繞組與鐵芯之間的漏磁場在靠近低壓繞組端部附近達到最大值。

高、低壓繞組間主通道內(nèi)的磁通密度分布如圖5所示。由圖5(a)可知，軸向磁通密度在繞組中部達到最大值，即軸向磁通密度沿軸向高度從中部向兩端部逐漸減少，在端部達到最小值。從圖5(b)可以看出，由于繞組匝間絕緣的存在，漏磁通在此處發(fā)生偏折，使得徑向漏磁增加，軸向漏磁減少，所以高壓繞組內(nèi)表面附近的徑向漏磁最大。綜上所述，高、低壓繞組間的漏磁場在靠近繞組中部處達到最大值。

(a) 軸向磁通密度分布

(b) 徑向磁場密度分布

(a) 軸向磁通密度分布

(b) 徑向磁通密度分布

低壓繞組內(nèi)部換熱氣道內(nèi)的磁通密度分布如圖6所示。由圖6(a)可知，低壓繞組內(nèi)部2個換熱氣道內(nèi)的軸向漏磁場和低壓繞組與鐵芯間的軸向漏磁場具有相似的變化趨勢，都是端部的磁通密度比中部大，即軸向漏磁從中部向兩端部逐漸增大，在端部達到最大，并且出現(xiàn)上下端部的漏磁通對稱。氣道2內(nèi)的漏磁場變化比氣道1內(nèi)的漏磁場變化小，且氣道2內(nèi)的漏磁場比較大。由圖6(b)可知，低壓繞組間2個氣道內(nèi)的徑向漏磁場與低壓繞組徑向漏磁通分布趨勢不同，低壓繞組間氣道內(nèi)的徑向漏磁通是在靠近低壓繞組處達到最大值。因此，低壓繞組間2個氣道內(nèi)的漏磁場都在靠近低壓繞組端部附近達到最大值，但氣道2內(nèi)的漏磁場變化較小。

(a) 軸向磁通密度分布

(b) 徑向磁通密度分布

干式變壓器高、低壓繞組間主通道內(nèi)的漏磁場比較大，而在絕緣處磁力線發(fā)生彎曲，使得絕緣處的磁通密度也很較大。

2.3諧波損耗分析

由上述分析可知，諧波會在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生諧波損耗。干式變壓器的諧波銅損耗和諧波鐵損耗分別與諧波電流和諧波電壓有關(guān)。

2.3.1諧波銅損耗與諧波電流的關(guān)系

分別對干式變壓器的二維模型施加基波電流以及相應(yīng)次數(shù)的諧波電流，可得到變壓器諧波損耗與諧波電流含有率及諧波次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖7和圖8所示。

圖7　諧波銅損耗與諧波電流含有率的關(guān)系曲線

由圖7和圖8可知，干式變壓器的諧波銅損耗隨著諧波電流含有率的增大而增大，并與諧波電流含有率的平方成正比。在諧波電流含有率一定的情況下，諧波銅損耗隨著諧波次數(shù)的增加而增大，諧波銅損耗與諧波電流次數(shù)的平方近似成正比。

圖8　諧波銅損耗與諧波次數(shù)的關(guān)系

2.3.2諧波鐵損耗與諧波電壓的關(guān)系

干式變壓器的諧波鐵損耗與諧波電壓含量和諧波電壓次數(shù)有關(guān)。對不同諧波電壓含有率和不同諧波次數(shù)下的諧波損耗變化進行分析，得到諧波鐵損耗與諧波電壓含有率及諧波電壓次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖9和圖10所示。

圖9　諧波鐵損耗與諧波電壓含有率的關(guān)系曲線

圖10　諧波鐵損耗與諧波次數(shù)的關(guān)系

由圖9和圖10可知，干式變壓器的諧波鐵損耗隨著諧波電壓含有率的增大而增大，并與諧波電壓含有率的平方成正比。當諧波電壓含有率一定時，諧波鐵損耗隨著諧波次數(shù)的增加而減小，并逐漸趨于平緩。

2.3.3諧波損耗與諧波電流畸變率的關(guān)系

當干式變壓器負載總功率不變時，對不同諧波電流畸變率下的諧波損耗變化進行分析，得到諧波損耗與諧波電流畸變率的關(guān)系曲線，如圖11所示。

由圖11可知, 諧波次數(shù)愈大，干式變壓器的諧波損耗愈小，且變化趨勢逐漸趨于平緩。運行時損耗大，相應(yīng)的能耗也就越大，干式變壓器的運行效率和利用率都會降低。

諧波在干式變壓器產(chǎn)生諧波損耗，且諧波次數(shù)愈大，其內(nèi)部諧波損耗愈小，且變化趨勢逐漸趨于平緩，但諧波損耗隨諧波電流畸變率的增大而增大。諧波電流畸變越嚴重，相應(yīng)的諧波損耗也就越大。

圖11　諧波損耗與諧波電流畸變率的關(guān)系曲線

3溫度場仿真

干式變壓器運行時，內(nèi)部損耗產(chǎn)生的熱量，其中一部分使變壓器自身的溫度升高，另一部分通過熱傳導、熱對流和熱輻射3種散熱方式散發(fā)到被冷卻空氣包圍的外表面。由于干式變壓器內(nèi)部諧波的影響，使干式變壓器內(nèi)部的漏磁場分布不均勻，導致其內(nèi)部局部過熱，加速了干式變壓器絕緣老化，嚴重時還有可能發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象，造成設(shè)備損壞。

3.1材料物性參數(shù)

在進行溫度場仿真前，也需設(shè)置材料的物性參數(shù)，各種材料的物性參數(shù)見表2。

表2　材料物性參數(shù)

空氣的物性參數(shù)隨溫度值T的變化而變化，擬合公式見表3。

表3　空氣物性參數(shù)及擬合公式

3.2基波條件下的溫度場仿真

干式變壓器在運行時主要通過自然對流進行散熱。本文采用Fluent軟件對基波條件下干式變壓器的溫度場進行仿真分析，整體溫度場分布如圖12所示。

圖12　溫度場分布

由圖12可知，干式變壓器上端部的散熱效果比下端部差，導致上端部的溫度比下端部高。干式變壓器的最熱點溫度位于低壓繞組處。

根據(jù)仿真結(jié)果得到干式變壓器的鐵芯、低壓繞組和高壓繞組的溫度分布曲線，如圖13所示。

(a) 鐵芯

(b) 低壓繞組

(c) 高壓繞組

干式變壓器的最熱點溫度位置是其內(nèi)部最容易發(fā)生局部過熱故障的區(qū)域，此處絕緣的好壞將直接影響整個干式變壓器的正常運行。因此，在進行干式變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)加強此處的絕緣性能。同時在設(shè)計干式變壓器溫度監(jiān)測系統(tǒng)時，可以在此處安裝溫度傳感器以監(jiān)測該點的溫度值，預(yù)防局部過熱故障。

3.3諧波條件下干式變壓器溫升分析

將由Ansoft計算得到的各次諧波損耗導入Fluent中進行分析，得到其溫升與諧波次數(shù)、諧波電流畸變率的關(guān)系，結(jié)果見表4和表5。

表4　不同諧波次數(shù)下的干式變壓器溫升值

表5　不同諧波電流畸變率下的干式變壓器溫升值

諧波會在干式變壓器內(nèi)部產(chǎn)生諧波損耗，而諧波損耗轉(zhuǎn)化的熱量又會使干式變壓器內(nèi)部溫度場的溫度升高，溫升增大，且隨著諧波次數(shù)的增加而增大，并逐漸趨于平緩。干式變壓器的溫升與諧波次數(shù)的關(guān)系曲線如圖14所示。

圖14　干式變壓器溫升隨諧波次數(shù)的變化

由表5可知，干式變壓器溫升隨諧波電流畸變率的增大而增大，畸變率越大，溫升也就越大。電網(wǎng)電流波形畸變越嚴重，諧波對變壓器造成的不利影響愈明顯，尤其是在增加變壓器的損耗、降低變壓器的利用率和可靠性、減少使用壽命等方面。干式變壓器溫升值與畸變率的關(guān)系曲線如圖15所示。

圖15　干式變壓器溫升值與諧波電流畸變率的關(guān)系曲線

諧波會在干式變壓器內(nèi)部產(chǎn)生諧波損耗，諧波損耗轉(zhuǎn)化的熱量會使干式變壓器內(nèi)部溫度場的溫度升高，且溫升值隨著諧波次數(shù)的增加而增加，并逐漸趨于平緩，諧波嚴重時還會導致絕緣老化、局部過熱等現(xiàn)象，嚴重影響變壓器的使用壽命和可靠性。因此，應(yīng)安裝必要的消諧裝置以降低電網(wǎng)中的諧波含量，提高變壓器的利用率，延長使用壽命。

4結(jié)論

以礦用干式變壓器為研究對象，建立了干式變壓器損耗及溫升與諧波的數(shù)學模型，并采用有限元方法對其漏磁場及溫度場進行仿真計算，得到干式變壓器諧波損耗及溫升與諧波次數(shù)、諧波電流含有率及諧波電流畸變率之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1) 干式變壓器軸向漏磁在高低壓繞組間主通道處最大，且在繞組中部損耗最大；而徑向漏磁在繞組中間和端部較大，且其損耗在繞組端部最大，應(yīng)加強此處的絕緣。

(2) 干式變壓器諧波銅損耗與諧波電流含有率和諧波電流次數(shù)有關(guān)。諧波電流含有率愈大，諧波鐵損耗愈大，并與諧波電流含有率的平方成正比。當諧波電流含有率一定時，諧波銅損耗隨諧波電流次數(shù)的增加而增大，并與諧波電流次數(shù)的平方近似成正比。

(3) 干式變壓器諧波鐵損耗與諧波電壓含有率和諧波電壓次數(shù)有關(guān)。諧波電壓含有率愈大，諧波鐵損耗愈大，并與諧波電壓含有率的平方成正比。當諧波電壓含有率一定時，諧波鐵損耗隨著諧波電壓次數(shù)的增大而減小，并逐漸趨于平緩。

(4) 干式變壓器內(nèi)部的諧波損耗隨諧波電流畸變率的增大而快速增大。

(5) 干式變壓器諧波損耗產(chǎn)生的溫升隨著諧波次數(shù)的增加而增大，并逐漸趨于平緩，但隨諧波電流畸變率的增大而快速增大。電流波形畸變越嚴重，諧波對變壓器造成的不利影響愈明顯，嚴重時還會導致絕緣老化、局部過熱等現(xiàn)象，嚴重影響變壓器的使用壽命和可靠性。

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Influence of harmonic on loss and temperature rise of mine-used dry-type transformer

ZHU Jingjing，TIAN Muqin，SONG Jiancheng，WEN Minmin

(Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control,Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract：In order to accurately analyze influence of harmonic on loss and temperature rise of transformer, a two-dimensional model of dry-type transformer was established firstly, and leakage magnetic field and harmonic loss in the dry-type transformer were simulated. Consequently, distributions of axial and longitudinal leakage magnetic in the transformer, as well as relationship between harmonic loss and harmonic order, harmonic ratio and distortion factor of harmonic current were derived. Then fluid-structure interaction analysis of the two-dimensional temperature field and airflow field of the dry-type transformer was conducted using finite element software Fluent, and the relationships between the temperature rise and harmonic order, as well as distortion factor of harmonic current were gained. Simulation results show that the harmonic copper loss is proportional to square of harmonic current ratio, and it is also approximately proportional to square of harmonic order when the content of harmonic current ratio is certain; the harmonic iron loss is proportional to square of harmonic voltage ratio, but it decreases and gradually tends to flatten out with harmonic order increases when the harmonic voltage ratio is certain.

Key words:dry-type transformer; harmonic; loss; temperature rise; leakage magnetic field; temperature field

中圖分類號：TD611

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-03-07 15:15

作者簡介：朱晶晶(1988-)，女，河北保定人，碩士研究生，研究方向為礦用干式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與壽命評估，E-mail:13027072827@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51577123，51377113)；山西省科技廳重大專項項目(20131101029)。

收稿日期：2015-11-23；修回日期：2016-01-11；責任編輯：胡嫻。

文章編號：1671-251X(2016)03-0024-07

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.006

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1515.006.html

朱晶晶，田慕琴，宋建成，等.諧波對礦用干式變壓器損耗及溫升的影響[J].工礦自動化，2016,42(3)：24-30.