高阻抗變壓器漏磁場分析與磁分路應用分析

徐方

摘 要：隨著電力系統的完善，為了保證變壓器的運行安全性，人們對變壓器的抗短路性能提出更高要求。據統計，一些老舊變壓器很容易出現故障導致短路，近幾年由于電力系統短路造成變壓器出現事故，占總事故的40 %，占事故的總容量的27.4 %左右。該文介紹了降低雜散損耗的措施，分析了油箱、夾件采取磁分路結構的變壓器渦流場數值，對磁分路綜合效果進行評估。

關鍵詞：高阻抗變壓器；漏磁場；磁分路

中圖分類號：TM40 文獻標志碼：A

在電力系統中使用高阻抗變壓器，發生短路事故后通過變壓器和電力設備的短路電流小，降低了電流熱效應，不僅能提高電網的可靠性，還能降低電氣設備的開斷容量。此外，使用高阻抗變壓器后可不使用限流電抗器，從而降低建設成本。

1 降低雜散損耗的措施

高阻抗變壓器的阻抗值高，必須要有較多的漏磁通、一次和二次繞組交鏈。由于容量增大，運行期間就會產生雜散損耗。基于此，降低雜散損耗的措施如下：使用層壓木板代替鋼壓板；對夾件進行分段處理，每一段之間處于絕緣狀態；減小夾件厚度，使用框架式夾件。油箱、夾件使用低磁材料，但缺點是價格高、焊接性能差，多數廠家仍然使用普通鋼板。油箱、夾件采取電屏蔽措施將銅板安裝在油箱內壁、上下壓板。因為銅的導電性能好，遇到交變磁場會感應出交變電流，用來抵消部分交變磁場，避免漏磁場完全進入油箱和夾件。采用磁分路技術，由于硅鋼片的導磁性能好、單位損耗低，將磁分路置于合適位置可以減少漏磁通總量進入油箱和夾件。

2 油箱采取磁分路結構的變壓器渦流數值分析

選擇1臺高阻抗變壓器，型號為SSZ11-180000/220，阻抗為54 %、14 %、38 %，分為高對中、高對低、中對低3種運行模式。其中，低壓繞組的電壓、電流為10.5 kV、2 857.1 A；中壓繞組為121 kV、858.9 A；高壓繞組為230 kV、451.8 A。

2.1 無磁分路的變壓器三維電磁場

三維電磁場的模型構件包括鐵心、夾件、拉板、繞組、油箱及變壓器油等。其中，夾件、箱體具有導電性和導磁性，依據集膚深度計算公式，可得集膚深度在1 mm以內，必須準確計算該深度內的渦流場。首先對結構件表層1 mm進行建模，經網格離散后，促使該深度內有多層節點，見表1。

利用ANSYS軟件，向渦流場施加激勵載荷，將箱外表面作為磁力線平行邊界，模型區域橫截面作為對稱邊界，即可得到各個節點的場量分布情況。結果顯示，靠近鐵心部位的油箱側壁，其渦流損耗要高于遠離旁軛部位的側壁損耗。高對中額定運行的雜散損耗約為93 100 W，油箱雜散損耗約為51 000 W，占比54.8 %；其中箱壁雜散損耗約為29 100 W，占油箱雜散損耗的大部分，占比達到57.1 %。此外，油箱壁厚度、繞組和箱壁距離、油箱形狀等均會影響油箱的雜散損耗。考慮到損耗幅值較大，如果不采取降損措施油箱壁溫度就會明顯升高，會導致油箱壁局部變色，油中氫氣、總烴的增長速度加快。

2.2 有磁分路時變壓器三維電磁場

該文以變壓器高對低額定運行為例，分析三維電磁場的特征。在上節油箱安裝磁分路，置于長軸側；變壓器鐵芯采用三相五柱結構，磁分路長度、厚度、數量等均可以根據實際情況進行調整，經網格剖分后施加載荷邊界、邊界條件，分析不同工況下磁分路變化對油箱漏磁分布的影響。

結果顯示，有磁分路后油箱壁上的渦流減小，漏磁集中區域面積小，進入油箱內部的法向磁感應強度降低。調整磁分路的參數如長度、寬度、厚度后可得到不同渦流密度分布圖。利用ANSYS軟件分析后可知，磁分路的長度影響大，寬度、厚度的影響達到一定數值后不再變化。

3 夾件采取磁分路結構的變壓器渦流場數值分析

設置夾件磁分路，可將繞組端部的漏磁通拉直，經鐵心形成閉合回路，從而減少漏磁總量進入夾件、油箱、拉板等部位。以220 kV的三相五柱式變壓器為例，比較夾件有磁分路、無磁分路時的漏磁場特征。

3.1 三維渦流場分析

對磁分路的幾何結構參數進行分析，可知結構參數、位置參數對渦流總損耗的影響，從而確定工程應用時的參數變化范圍，為變壓器的優化設計提供支持。假設磁分路的參數如下：a為30 mm、b為30 mm、c為60 mm、d為100 mm、l為3 285 mm，此時夾件表面上的磁感應強度減小32 %，渦流密度最大值減小45 %，如圖1所示。

3.2 渦流損耗變化

其他參數保持一定時，隨著參數a增大，結構件的渦流總損耗先減后增，參數a的最佳取值是120 mm，隨著參數a繼續增大，結構件的渦流總損耗相應增加；當磁分路底面和夾件底面處于同一高度時，即b=0，此時渦流總損耗為最小值，隨著高度增加，結構件的渦流總損耗相應減小且，兩者的變化幅度一致，高度最佳取值范圍是60 mm～120 mm，隨著寬度增加，結構件的渦流總損耗相應減小且兩者的變化幅度保持一致，寬度最佳取值范圍是60 mm～80 mm。隨著長度增加，結構件的渦流總損耗先增后減，一旦長度達到夾件長度80 %，渦流總損耗就不會變化，因此長度的最佳取值是夾件長度的80 %。

4 結語

高阻抗變壓器在使用期間，降低雜散損耗能提高運行安全性，實現降本增效的目標。該文建立三維電磁場的模型，針對無磁分路、有磁分路的變壓器三維電磁場進行分析比較，結果顯示使用磁分路后雜散損耗明顯降低，且繞組的阻抗越大，雜散損耗降低率越大，希望為實際應用提供經驗。

參考文獻

[1]王勃，井永騰，李穎，等.基于能量法高精度求解變壓器短路阻抗的方法[J].電器工業，2016（10）：75-78.