變壓器引線及繞組復合漏磁場引起的局部過熱研究

周訓通，胥建文，孫大偉，呂 斌，臧 英

（山東電力設備有限公司，山東 濟南 250001）

變壓器引線及繞組復合漏磁場引起的局部過熱研究

周訓通，胥建文，孫大偉，呂 斌，臧 英

（山東電力設備有限公司，山東 濟南 250001）

采用有限元仿真方法，以一臺存在局部過熱的電力變壓器為例建立電磁場仿真模型，研究大電流引線及繞組在結構件中產生的漏磁場，對局部過熱進行分析，提出防止局部過熱的改進措施，并將仿真結果與實測值進行對比，驗證了仿真計算結果的準確性。

變壓器；引線；繞組；漏磁場；局部過熱；仿真

0 引言

隨著我國電力事業的不斷發展，機組容量不斷增大，相應單臺電力變壓器的容量也隨之增加，引線電流不斷增大，有的甚至高達幾萬安培，引線和繞組中的電流會在臨近的導磁結構件中產生很強的漏磁場和分布不均的雜散損耗［1］。如果變壓器結構設計不合理、屏蔽不完善，就會因結構件渦流損耗過大而導致局部溫升過高，使變壓器油劣化，產生氣體，進而出現運行事故。針對變壓器漏磁導致的結構件局部過熱的研究，許多文獻中只是單獨對繞組或引線漏磁進行了分析［2-4］，單獨進行繞組或引線的漏磁場分析計算是不完整的，兩者需要同時考慮才能體現完整的電磁場。

對于變壓器漏磁導致的金屬構件局部過熱的研究分析，需要進行復雜的電磁場計算，從公開發表的文獻來看，這類問題的研究的方法主要有試驗法、解析法和計算機仿真法。試驗法一般成本較高，而且需要較長的時間；解析法往往只能在大量簡化基礎上得到應用，并不能對復雜結構的電磁場進行準確計算，誤差較大，效率較低；近年來，隨著計算機硬件和軟件技術的快速發展，使得使用計算機進行電磁仿真計算成為一種趨勢，仿真計算不但可以降低成本，節省大量時間，還可以更為方便直接地得到相關數據結果。

變壓器中磁場主要由繞組和引線電流產生。繞組電流產生的磁勢可分解為建立主磁場的磁勢和建立漏磁場的磁勢，同時引線電流也會產生漏磁勢。繞組電流和引線電流產生的漏磁通是互相影響，互相交鏈的［5］，兩者需要同時考慮才能模擬出較為真實的電磁場，尤其是引線空間結構復雜時更需要綜合考慮，而變壓器漏磁場仿真的難點也正在于繞組和結構復雜的引線同時勵磁時的復雜漏磁場分析計算。針對這種情況，以一臺出現局部過熱的SFZ-120000／230變壓器為例，采用有限元法進行繞組和引線復合漏磁場仿真研究，提出改進措施，從而避免在后續設計中出現結構件局部過熱的情況。避免結構件局部過熱對于保證變壓器的安全可靠運行，降低損耗，提高產品性能，對增強變壓器產品在國內外市場的競爭力有重要意義。

1 變壓器技術參數及模型建立

仿真采用加拿大Inforlytica公司的MagNet電磁仿真軟件，并參考TEAM Problem 21基準模型的仿真比較經驗（如材料屬性、網格劃分和求解等）［6］。

1.1 電磁場求解原理

仿真計算采用基于T-Ω位組的三維求解算法，該算法特點是使用了基于1階到3階插值多項式的層疊元［1］。在該方法中，磁場強度被描述為兩部分和的形式：一部分為標量位的梯度，另一部分為在導體區將矢量場用矢量楞單元表示。對于導電部件，如母線和油箱等，求解為

式中：σ為材料的電導率；ε為材料介電常數；μ為材料的磁導率。

對于多匝線圈區域，假定線圈中的電流密度是均勻的，可得

式中：JS為線圈中電流密度。為了準確計算磁場強度，三維模型線圈中電流密度可以被看作螺旋上升的螺線管內的電流密度，磁場強度H為

通過迭代計算找出一個滿足式（4）的源場HS，并且標量位φ用式（6）來求解。

1.2 主要技術參數及模型

該出現局部過熱的變壓器為油浸式、三相、雙繞組、有載調壓變壓器，主要技術參數如表1所示。

三維模型由鐵心、線圈、夾件、拉板、夾件磁屏蔽（板式）、油箱磁屏蔽、低壓引線、升高座、油箱組成，外部建立空氣包，如圖1所示。主要結構件材質如表2所示。同時對模型做假設［7］：由于結構對稱，且有低壓引線，建立整體的1／2模型（低壓側）；部分結構件進行了簡化，如去除倒角、螺栓、小結構件等；計算時忽略繞組環流和高次諧波等的影響；總安匝之和近似為零。

表1 變壓器主要參數

圖1 油浸式電力變壓器模型

表2 材料屬性參數表

在變壓器油箱出現局部過熱情況后，將低壓升高座下部箱蓋割去680mm×3 200mm矩形區域，補焊相同尺寸的低磁鋼板，并對原設計和采取改進措施后兩種情況的模型分別進行了仿真計算。

1.3 繞組及低壓引線

變壓器線圈排列順序由內到外分別為低壓線圈、高壓線圈、調壓線圈，其中高壓線圈、低壓線圈為端部出線，調壓線圈為正反調結構，聯結組別YNd1，如圖2所示。低壓線圈為單螺旋式，幅向4根并繞。繞組按實際電抗高度和輻向尺寸建模，并在模型中分別賦安匝和電流，三相正弦波電流相位相差 120°。

低壓繞組端部和底部出線按幅向并排的4根導線建模，并與銅排連接，上下銅排之間通過銅管連接，變壓器外部三相套管出線處端部使用銅排連接，繞組和低壓引線的賦值平面與空氣包邊界重合，在模型中分別賦安匝和電流，三相正弦波電流相位相差 120°。

低壓繞組端部和底部出線按幅向并排的4根導線建模，并與銅排連接，上下銅排之間通過銅管連接，變壓器外部三相套管出線處端部使用銅排連接，繞組和低壓引線的賦值平面與空氣包邊界重合，在求解域內形成閉合回路，如圖3所示。在MagNet軟件中，采用場路耦合方式進行求解，低壓引線連接電路設置如圖4所示，引線中賦正弦低壓電流峰值，三相引線電流相差120°。在MagNet軟件中為繞組和引線賦電流和匝數值時要保證安匝平衡，并保證繞組的電抗高度，否則計算將不收斂。

圖2 繞組連接圖

圖3 變壓器低壓引線連接

圖4 引線勵磁線圈電路設置

2 計算分析

在完成電路設置并對模型進行網格剖分后，可對模型進行求解計算。計算采用MagNet中的三維時諧場求解器對模型進行非線性求解，通過對求解出的結構件渦流、損耗密度和磁密進行分析研究［8］。

2.1 電流及渦流分布

圖5為某時刻引線及繞組電流的方向，引線中局部電流較大且不均勻是由于引線模型為單根通排或銅管，電密較大且考慮了集膚效應、渦流效應；而繞組模型中電流分布均勻，是由于繞組設置為多根并聯，仿真計算時忽略繞組的集膚效應、渦流效應。

圖5 低壓引線及各繞組電流方向

圖6 為某時刻油箱及升高座渦流分布，此時b、c相引線電流較大。由圖6（a）可以看出，由于改進前低壓升高座b、c兩相間油箱蓋為普通導磁鋼，此處感應出的渦流較大，較為集中；圖6（b）改進后，低壓升高座下部箱蓋局部更改為低磁鋼板，其導磁性較弱，漏磁感應出的渦流較小，分布較為均勻；低壓升高座材質為低磁鋼，感應出的渦流也較小。

圖6 渦流分布

2.2 大電流低壓引線對結構件漏磁場的影響

為了驗證大電流引線對附近結構件漏磁場的影響，進一步進行了忽略低壓大電流引線只保留繞組勵磁模型的計算，并與本文中引線、繞組同時勵磁的模型計算結果進行對比，圖7為某時刻漏磁矢量圖（B相繞組中心剖面），可以看出只有繞組勵磁時，油箱等結構件磁密相對較小且無集中現象；圖8可以看出當存在低壓大電流引線勵磁時，油箱和油箱磁屏蔽磁密急劇增大且出現了集中，這是因為此時低壓引線中電流較大，離箱蓋較為接近，箱蓋材質為普通碳素鋼，具有較好的導磁性，對磁力線產生了較強的吸引作用，從而導致漏磁較為集中，可見在設計時需要考慮低壓大電流引線產生的漏磁場對周圍導磁結構件的影響。

圖7 磁密矢量分布（無引線勵磁）

圖8 磁密矢量分布（有引線勵磁）

圖9 表明當某時刻（正弦波電流）無低壓引線計算時（只有繞組勵磁），磁屏蔽中漏磁通較為均勻且方向大體一致，而當低壓引線和繞組同時勵磁時，低壓引線附近漏磁通變大，根據右手定則產生了較大的橫向、縱向漏磁分量，使磁屏蔽中的磁力線方向發生了改變，如圖10所示，由此可以看出低引線中的大電流使臨近結構件中的漏磁通走向更為復雜且更為集中。

圖9 某時刻油箱磁屏蔽磁密矢量分布（無引線勵磁）

圖10 某時刻磁密矢量分布（有引線勵磁）

2.3 損耗密度及磁密

通過最大損耗密度和磁密值作為是否存在局部過熱的依據，改進前和改進后兩種模型的損耗密度和磁密分布如圖11~12所示，渦流損耗密度和磁密較大區域分布在箱蓋低壓升高座兩相之間處，最大處位于油箱兩相間升高座起臺與油箱開孔貼合處邊沿附近，這是因為油箱頂部升高座相鄰兩開孔處銅排中通有相差120°的正弦電流，兩相電流產生的漏磁通以及繞組產生的漏磁通相互疊加，使相鄰的兩開孔間油箱蓋板感應出的渦流較大，且由于開孔邊沿處的集膚效應較為明顯，導致圖11（a）所示處損耗密度較大，產生局部過熱。

圖11 損耗密度分布云圖（隱藏升高座）

圖12 磁密分布云圖

通過Probe Field Values工具提取計算結果，匯總為圖13和圖14。由圖13可知原始模型中油箱局部最大損耗密度為4 460kW／m3，遠大于改進后的損耗密度149kW／m3；由圖14也可以看出原始模型中油箱最大磁密1.8T大于改進后最大磁密1.14T，其他結構件無局部過熱情況。通過與前期產品（合格產品以及存在過熱產品）仿真驗證結果值進行橫向比較可以得知原始模型油箱箱蓋處確實存在局部過熱，而改進后的模型無局部過熱。

圖13 原始模型與改進后模型最大磁密對比

圖14 原始模型與改進后模型最大損耗密度對比

3 溫升試驗

該臺變壓器改進前和改進后分別進行了溫升試驗，并通過紅外測溫儀對外部油箱進行測溫，如圖15（a）所示，改進前箱蓋低壓升高座兩相間溫度較高，局部最高溫度為163℃，位于低壓升高座起臺與油箱箱蓋開孔接合處，與圖11（a）的最大損耗密度與圖 12（a）最大磁密的所在位置基本吻合；圖 15（b）為改進后實測溫度分布，局部最高溫度89.3℃，無局部過熱。

圖15 油箱熱成像溫度分布

4 結語

針對一臺出現局部過熱的變壓器，建立了包含繞組和引線勵磁的完整漏磁場模型，進行了漏磁場仿真計算，并對低壓引線中的大電流在附件結構件產生的漏磁進行了對比分析和研究，計算了各結構件的損耗密度和磁密值，得到了局部過熱位置；提出了改進措施方案，并對改進后的方案也進行了漏磁場仿真計算，計算結果表明改進后無局部過熱，通過兩種方案的仿真計算結果與溫升試驗紅外測溫實測結果進行對比，驗證了本文中仿真方法和計算結果的可靠性和準確性，通過使用本文中方法對產品的仿真計算可以有效地指導產品設計，尤其是容量大、引線電流大的變壓器以及變電站中電流較大設備的設計，防止結構件局部過熱的發生。

［1］ 程志光.電氣工程電磁熱場模擬與應用［M］.北京：科學出版社，2009.

［2］ 耿榮林，李洪友，牛春芳.變壓器三相載流引線引起的渦流損耗及局部過熱的工程分析［J］.變壓器，2007，44（12）：17-19.

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［5］ 劉傳彝.電力變壓器設計計算方法與實踐［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2002.

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［8］ SIPPOLA M，SEPPONEN RE.Accurate prediction of high frequency power-transformer losses and temperaturerise ［J］.IEEE Trans.Power Elect.，2002，17（5）：835-847.

Partial Overheat Caused by Composite Leakage Magnetic Field of Leads and Coils in Transformers

ZHOU Xuntong，XU Jianwen，SUN Dawei，LV Bin，ZANG Ying
（Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250001，China）

By the method of finite element simulation，electromagnetic field simulation model of a power transformer with the malfunction of partial overheat was built.The relatively complete and real electromagnetic field was simulated.Leakage magnetic field in the structural components caused by the heavy current lead and coils was researched.Partial overheat was analyzed and diagnosed.The improvement measure to prevent partial overheat was proposed.The results of the simulation are compared with the measured values，which verified the accuracy of the simulation.

transformer；leads；coils；leakage magnetic field；partial overheat；simulation

TM41

：A

：1007－9904（2017）07－0033－06

2017-02-19

周訓通（1986），男，工程師，從事電磁場理論及仿真研究與變壓器設計工作；

胥建文（1975），男，高級工程師，從事變壓器仿真研究及管理工作；

孫大偉（1983），男，工程師，從事變壓器研發工作；

呂 斌（1981），男，工程師，從事變壓器設計工作；

臧 英（1983），女，高級工程師，從事變壓器仿真研究工作。