一種三相三柱式變壓器鐵心夾件的改進結構

符雪鵬 苑東升

?

一種三相三柱式變壓器鐵心夾件的改進結構

符雪鵬 苑東升

（特變電工沈陽變壓器集團有限公司，沈陽 110144）

本文提出了一種三相三柱式變壓器鐵心夾件結構，通過采用有限元（FEM）分析軟件ANSOFT對該種結構進行3D漏磁場建模分析，對比其他兩種常規夾件結構，對變壓器漏磁場及結構件熱點溫升進行仿真研究，通過對比分析，得出該種結構可以有效避免三相三柱變壓器鐵心外側漏磁通引起的結構件過熱的問題，也有效降低了三相三柱式鐵心變壓器的結構耗，為大型三相三柱式變壓器的安全可靠運行提供了強有力的保障和支持。

三相三柱式變壓器；有限元；夾件結構；漏磁場；熱點溫升；結構耗

隨著國內外電力行業的迅速發展，變壓器容量和電壓等級不斷提高，變壓器的結構越來越復雜，由漏磁通引起金屬結構件的局部過熱問題愈來愈突出。長期以來，對于三相三柱式變壓器，由于A、C兩相鐵心外側的線圈間主漏磁場處于三柱鐵心的外側，很難采用鐵心磁屏蔽措施解決外側漏磁問題，也就是說外側的漏磁集中通常會造成外側的鐵心夾件等結構件渦流損耗過高、結構件發熱、溫升超標、變壓器產氣，甚至造成變壓器的事故。這也是三相三柱式鐵心變壓器結構耗一直比三相五柱式鐵心變壓器大的多的根本原因。因此，對于三相三柱式變壓器金屬結構件渦流場的分析和各種金屬結構件渦流損耗的計算也變得愈來愈重要。

對于大容量的變壓器往往由于運輸或者安裝尺寸的限制，通常會采用三相三柱式鐵心結構。而對于大容量的變壓器采用三相三柱式鐵心結構，很難在A相和C相外側的夾件上布置磁屏蔽，以減小漏磁；而且即使在A相和C相外側的區域布置了磁屏蔽，由于外側的磁屏蔽并不能將漏磁有效的導進鐵心中，而使A相和C相外側鐵心夾件依然處于漏磁集中區域，因此并不能有效地解決外側夾件過熱的問題，也不能有效降低因漏磁而使結構件損耗增加的問題，效果不是非常的理想。本文采用有限元（FEM）分析軟件ANSOFT對一臺美國300MVA 345kV三相三柱式鐵心結構的變壓器3D漏磁場進行建模分析，經過多種結構對比并建模驗證，確定了一種新的結構方式，有效地避免了漏磁原因造成的三相三柱式鐵心結構外側鐵心夾件過熱的問題。

1 產品基本參數及建模

本文中案例變壓器產品型號為OSFS-300000- 345，鐵心為三相三柱式結構，產品運行頻率為60Hz，高-中阻抗為12%，產品容量為300MVA，高壓額定電壓為345kV，中壓額定電壓為230kV。本案例產品的鐵心、油箱等金屬件溫升值要求為80K。

結合產品鐵心及油箱結構建立漏磁場模型，圖1所示應用有限元軟件仿真圖。

圖1 三相三柱式鐵心漏磁場溫度分布圖

在圖1中可以看出，對于三相三柱式鐵心結構在A相和C相外側的漏磁通并不能直接進入鐵心，因此，兩側線圈外側的漏磁場比較大，而使得兩側上下部的夾件溫升較大。而且，對于兩側的漏磁場并不能在外側增加磁屏蔽措施將漏磁直接導入鐵心，即使硬性的增加磁屏蔽措施，在鐵心外側漏磁也不能直接導入鐵心形成有效回路，A相和C相外側的夾件依然處于漏磁集中區域，外側的夾件依然會出現過熱的問題，而且外側夾件因處于漏磁區域，依然會增大結構件的損耗，因此該種方法的漏磁的控制效果很難滿足大容量三相三柱式變壓器的性能要求。

2 三種結構建模及對比分析

對于本臺產品，下夾件較上夾件距離線圈端部更近，即下夾件所處漏磁場位置更加集中，在圖1中可見在器身兩外側的下部夾件處溫升最高。本文以下夾件為例進行簡單建模，針對3種不同夾件結構進行對比分析。

2.1 常規夾件結構

通常，常規的夾件結構在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，由于在A相和C相外側的夾件區域放置“L”型磁屏蔽并不能將線圈外側的漏磁導進鐵心中，所以夾件外側及其他位置不做其他措施改進。三相三柱式鐵心常規夾件結構漏磁場溫升分布圖如圖2所示。

圖2 三相三柱式鐵心常規夾件結構漏磁場溫升分布圖

從圖2中可以看出，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并不能減少兩側線圈外側的漏磁，因此兩側線圈外側的下部夾件溫度依然很高，對空氣的溫升最高約為91K。

2.2 常規改進夾件結構

相對于常規的夾件結構，工程上通常對結構進行一些改進，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并在兩側線圈外側漏磁集中處的上下部夾件增開散熱槽。三相三柱式鐵心常規改進結構漏磁場溫升分布圖如圖3所示。

圖3 三相三柱式鐵心常規改進結構漏磁場溫升分布圖

從圖3中可以看出，在兩側線圈外側漏磁集中處的上、下部夾件增開散熱槽，改進后方案下夾件對空氣的溫升最高約為76K，相對常規夾件結構稍有改善上、下部夾件的溫升值，但是效果并不是非常顯著。

2.3 改進后的夾件結構

對于一些大容量的三相三柱式變壓器，以上兩種結構的夾件結構并不能滿足產品的性能要求，因此本文提出了一種新的結構形式，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并在上下部夾件兩側漏磁集中處開始向外側去掉一個臺階，本臺產品臺階尺寸為80mm。三相三柱式鐵心改進結構后漏磁場溫升分布圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，在上下部夾件兩側漏磁集中處開始向外側去掉一個臺階后，能明顯改善上、下部夾件的溫升值，改進后方案下夾件對空氣的溫升最高僅約為61K，效果顯著，很好地保障了產品的性能。

圖4 三相三柱式鐵心改進結構后漏磁場溫升分布圖

2.4 三種結構對比分析通過三種結構建模后的漏磁場溫升分布圖的對比

可以看出，本文提出的第三種改進結構效果比較明顯，建模仿真后的下部夾件的溫升值最高僅為61K，較前兩種結構的91K和76K有非常大的優勢，可以很好地解決三相三柱式線圈漏磁造成外側鐵心夾件過熱的問題，將兩側線圈外側漏磁集中的夾件去掉一部分后，減少了該部分結構件的漏磁損耗，也就是減少了變壓器的結構件損耗。

該產品按照這種改進結構進行了試制，效果顯著，實測結果與建模結果相近，結構件溫升較低，而且該產品的結構耗也比其他三相三柱式鐵心的結構耗比例系數減少很多，具體見表1。

表1 三相三柱式變壓器三種夾件結構對比表

3 結論

本文提出了一種新型的三相三柱式鐵心夾件改進結構，通過對比其他兩種常規夾件結構，利用有限元分析軟件建模分析，有力地說明：該種夾件結構可以有效避免三相三柱式鐵心外側漏磁通引起的結構件過熱的問題。通過該結構的實際產品實測結構耗比例系數對比其他兩種結構的常規經驗系數，可以看出本文的改進結構有效降低了三相三柱式鐵心變壓器的結構耗，對今后大容量變壓器采用三相三柱式鐵心結構時的結構設計具有很好的指導意義。

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

[2] 張衛純, 潘風明, 張新根, 等. 基于有限元法的電力變壓器金屬結構件損耗分析[J]. 高壓電器, 2013(49): 55-61.

[3] 路長柏. 電力變壓器理論與計算[M]. 沈陽: 遼寧科學技術出版社, 2007.

[4] 韓彬, 田小靜, 趙銀漢, 等. 大型電力變壓器繞組壓緊結構改進[J]. 電氣技術, 2013, 14(7): 79-81.

[5] 冉慶凱, 李志偉. 大型電力變壓器屏蔽結構對結構件過熱影響的分析[J]. 電氣技術, 2013, 14(8): 52-53, 58.

[6] 陳湘令. 基于Ansoft的變壓器突發短路有限元漏磁場分析[J]. 電氣技術, 2015, 16(3): 61-62, 132.

[7] 李龍女, 李巖, 井永騰, 等. 電力變壓器漏磁場與雜散損耗計算的研究[J]. 電工技術學報, 2013, 28(S2): 122-127.

[8] 郭健, 林鶴云, 徐子宏, 等. 三相三柱變壓器零序阻抗的場路耦合計算與分析[J]. 電工技術學報, 2009, 24(3): 80-85.

[9] 康雅華, 白保東, 郭源成. 場路耦合方法在大型電力變壓器三維瞬態有限元分析中的應用[J]. 電工技術學報, 2014, 29(9): 219-224.

[10] 胡靜竹, 劉滌塵, 廖清芬, 等. 基于有限元法的變壓器電磁振動噪聲分析[J]. 電工技術學報, 2016, 31(15): 81-88.

One Type Improved Structure for Three-phase Three-limbs Transformer Clamping Plate

Fu Xuepeng Yuan Dongsheng

(Tbea Electrician Shenyang Transformer Group Co., Ltd, Shenyang 110144)

This paper presents one type structure for three-phase three-limbs transformer core clamping plate by using finite element analysis software ANSOFT (FEM) on the structure analysis of leakage magnetic field model of 3D, compared with the other two conventional clamping structure,made simulation research from transformer leakage magnetic field and the structure of hot spot temperature rise, through comparative analysis, draw this kind of structure which can effectively avoid three-phase three-limbs transformer core outer leakage flux caused structural overheating, but also effectively reduces the structure loss of three-phase three-limbs transformer,and provide a strong guarantee and support for large three-phase three-limbs transformer safe and reliable operation.

three-phase three-limbs transformer; FEM; structure of clamping plate; leakage magnetic field;hot spot temperature rise;structure loss

符雪鵬（1982-），男，遼寧北鎮人，工程師，從事變壓器研發與設計工作。