簡(jiǎn)析直流偏磁條件下變壓器鐵心振動(dòng)問題

馬嬙 劉飛達(dá)

摘要：本文對(duì)直流偏磁條件下變壓器鐵心情況進(jìn)行了簡(jiǎn)析，提出基于商用軟件分析的方法，服務(wù)于今后的研究與設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：直流偏磁? 變壓器? 鐵心

1 引言

因直流輸電網(wǎng)絡(luò)、地磁變化等各種原因，變壓器激磁電流中會(huì)出現(xiàn)大小不同的直流分量，也就是說鐵心中存在了直流磁通，繼而會(huì)產(chǎn)生大量諧波分量，從而使變壓器空載損耗增加，伴隨著鐵心的振動(dòng)噪聲增大，這種現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可能引起系統(tǒng)保護(hù)開關(guān)的誤動(dòng)作，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來極大的隱患。

隨著人們對(duì)環(huán)境意識(shí)的提高和環(huán)保部門對(duì)各類噪聲的限制，特別是近年來一些變電站有時(shí)需要建于商業(yè)區(qū)和居民區(qū)內(nèi)，對(duì)變壓器噪聲設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的要求。變壓器的振動(dòng)噪聲加劇，不但給周圍居住人的生活帶來不便，同時(shí)也極大地影響了人們的日常生活和身心健康。鐵芯是變壓器主要的噪聲源，所以研究直流偏磁條件下鐵芯的振動(dòng)噪聲對(duì)減小變壓的噪聲有著重要的意義，可以減小對(duì)周圍居住人和環(huán)境的影響，同時(shí)也提高了資源的利用率，降低環(huán)境的污染，既符合生產(chǎn)實(shí)際的需要，也符合當(dāng)今社會(huì)所提倡的節(jié)能減排、低碳環(huán)保的主題。

2 直流偏磁條件下變壓器鐵心情況

當(dāng)變壓器繞組中流過直流電流特別是超過其耐受程度的直流電流時(shí)，變壓器鐵心磁通易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象且諧波分量增加，磁滯伸縮加劇，會(huì)使變壓器的損耗增加、繞組溫升增加，引起局部發(fā)熱，噪聲增大，振動(dòng)位移加大。變壓器的振動(dòng)噪聲過大可能導(dǎo)致鐵芯松動(dòng)、繞組變形、溫升增大，并可能造成絕緣強(qiáng)度的進(jìn)一步降低，嚴(yán)重影響其正常運(yùn)行，甚至有可能引起變壓器的損壞，同時(shí)也會(huì)影響交流電網(wǎng)的正常運(yùn)行。電力變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行可靠性顯得越發(fā)重要。

變壓器直流偏磁現(xiàn)象是指由于某種原因?qū)е伦儔浩麒F心中出現(xiàn)了直流磁通，使得變壓器鐵心正負(fù)半周不對(duì)稱飽和以及由此引起的一系列電磁效應(yīng)。變壓器在直流偏磁條件下直流和交流磁通共同作用，形成偏磁時(shí)鐵心的總磁通。

鐵磁材料的磁性能，如材料的磁化曲線、損耗曲線、磁滯回線等是進(jìn)行電磁場(chǎng)分析必不可少的基本材料參數(shù)。通常情況下，生產(chǎn)設(shè)計(jì)和工程計(jì)算用到的材料參數(shù)是各硅鋼片材料制造廠提供的性能參數(shù)，材料的測(cè)量的條件是在工頻條件下且沒有考慮直流偏磁磁場(chǎng)對(duì)硅鋼片的作用，準(zhǔn)確獲取直流偏磁條件下變壓器鐵心電磁性能參數(shù)數(shù)據(jù)是計(jì)算分析偏磁磁場(chǎng)的關(guān)鍵問題[1]。可以采用和實(shí)際變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)相同的交直流串聯(lián)激勵(lì)的方式，試驗(yàn)與仿真相結(jié)合，確定直流偏磁條件下鐵心材料的磁性能曲線。

3基于商用軟件分析方法

關(guān)于直流偏磁下變壓器鐵心振動(dòng)噪聲問題的研究，實(shí)際上是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合計(jì)算問題。其中涉及的內(nèi)容主要包括：首先應(yīng)用場(chǎng)路耦合方法計(jì)算電磁場(chǎng)中的直流偏磁問題，應(yīng)用外電路的加載方式計(jì)算磁場(chǎng)模型，建立交直流疊加的電壓源激勵(lì)源，實(shí)現(xiàn)電路和電磁場(chǎng)的耦合;在結(jié)構(gòu)力場(chǎng)中將電磁場(chǎng)中的計(jì)算結(jié)果作為激勵(lì)和結(jié)構(gòu)力場(chǎng)變量進(jìn)行耦合;通過進(jìn)一步的計(jì)算結(jié)果可以將結(jié)構(gòu)力場(chǎng)中的計(jì)算結(jié)果作為載荷和聲場(chǎng)的變量進(jìn)行耦合，從而實(shí)現(xiàn)了直流偏磁條件下變壓器振動(dòng)噪聲的仿真計(jì)算。

COMSOL軟件可以實(shí)現(xiàn)上述多次耦合場(chǎng)的計(jì)算。該軟件是以有限元方法為基礎(chǔ)，將整個(gè)區(qū)域分割成許多個(gè)小單元，將求解邊界問題的原理應(yīng)用于這些小單元中進(jìn)行求解，然后把各個(gè)小單元的結(jié)果匯總起來得到整個(gè)區(qū)域的解。COMSOL中的每個(gè)模塊都有各自的偏微分方程，將偏微分方程聯(lián)立成方程組進(jìn)行求解來實(shí)現(xiàn)各個(gè)物理現(xiàn)象的仿真。用戶可以根據(jù)問題需要選擇所需要的模塊，快速實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)的耦合分析，其實(shí)質(zhì)就是求解偏微分方程組。COMSOL中的基本求解步驟是：選擇所需模塊方程及確定偏微分方程，創(chuàng)建或?qū)胛锢砟Ｐ停O(shè)定材料屬性，選擇適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，進(jìn)行網(wǎng)格剖分，選擇求解器和進(jìn)行求解。

4 結(jié)論與展望

從上述分析可以看出，從工程實(shí)用的角度出發(fā)，提出了分析直流偏磁條件下鐵心振動(dòng)問題的方法，為將來產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料選型，損耗計(jì)算提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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