劉丹丹，劉文里，王錄亮

(哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江哈爾濱150080)

0 引言

在變壓器運行中，由于漏磁場的作用會在變壓器金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗［1］。鐵芯拉板位于鐵芯疊片和線圈之間，該處是電力變壓器中的高漏磁區(qū)域，容易造成渦流損耗的過度集中，引起局部過熱［2］。因此分析拉板的渦流分布，采取相應(yīng)措施避免由此產(chǎn)生的局部過熱，對變壓器的正常運行具有重要意義。本文通過對變壓器結(jié)構(gòu)進行合理的簡化，建立了求解電力變壓器拉板的三維漏磁場模型，結(jié)合1臺180 MVA變壓器，用ANSYS有限元法獲得了拉板渦流損耗密度分布，并計算分析了拉板不同開槽數(shù)、開槽長度和開槽寬度對拉板渦流損耗分布的影響。

1 模型建立

由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不具有整體軸對稱性，漏磁場產(chǎn)生區(qū)域的幾何形狀極不規(guī)則，二維模型只能視為某些局部場域的近似，特別是在不能忽略端部效應(yīng)時，無法全面反映渦流損耗的分布情況。因此采用三維模型計算拉板的渦流損耗。

根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)特點，作以下幾點假設(shè):

1)近似認為金屬結(jié)構(gòu)件材料為線性、均勻、各向同性。

2)變壓器箱體關(guān)于繞組中心連線前后對稱。

3)箱蓋、箱底與側(cè)壁為直角連接。

4)忽略拉板的固定孔。

模型如圖1所示，其中繞組、拉板模型如圖2所示。

利用SOLID117單元計算拉板渦流損耗，不考慮拉板渦流的去磁作用及位移電流的影響。渦流區(qū)(油箱、拉板、壓板)的自由度設(shè)置為AZ，非渦流區(qū)(繞組、鐵芯、油)的自由度設(shè)置為 AZ，VOLT［3］。由于集膚效應(yīng)，磁場將從導(dǎo)體表面沿垂直方向向內(nèi)部衰減，形成透入深度的現(xiàn)象。大型電力變壓器的拉板一般使用低導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料［4］，其透入深度為幾十毫米，大于拉板厚度，所以劃分網(wǎng)格時分層較少。變壓器油箱使用低碳鋼材料，其透入深度為2.03 mm，小于油箱厚度，故油箱厚度方向應(yīng)多層剖分使每層厚度小于其透入深度。由于油箱、拉板、繞組幾何形狀規(guī)則，并考慮到所關(guān)心區(qū)域的計算精度，所以選用掃略網(wǎng)格剖分方式進行剖分，其余部分選用自由網(wǎng)格剖分方式，相應(yīng)的有限元剖分單元數(shù)為145 339，節(jié)點數(shù)為318 649。選用三維諧波場對渦流場進行計算分析，在繞組上施加電流密度載荷;在油箱外表面和軸對稱面施加磁力線平行邊界條件，滿足第一類邊界條件;在其它邊界面施加磁力線垂直邊界條件，滿足第二類邊界條件。

2 計算原理

在三維渦流場的研究中通常把區(qū)域分成渦流區(qū)和非渦流區(qū)兩部分，如圖3所示。

圖3 求解區(qū)域圖

在渦流區(qū)采用矢量磁位→A和標(biāo)量電位φ作為未知函數(shù)，在非渦流區(qū)只用→A作未知函數(shù)。由麥克斯韋方程組可知，在V1內(nèi):

在V1內(nèi):

在V2內(nèi):

3 計算結(jié)果與分析

對1臺180 MVA/220 kV三繞組變壓器高－中運行時的拉板磁通密度、渦流密度、渦流損耗密度進行計算分析。

1)拉板不開槽、開1～3槽對渦流分布的影響。拉板開槽數(shù)變化時，渦流密度和渦流損耗密度分布分別如圖4、圖5所示。圖4、圖5中拉板長2.51 m，寬0.3 m，厚0.01 m，沿拉板高度方向在其上開有長2.46 m、寬0.015 m的通槽，表1為拉板開槽數(shù)改變時磁通密度幅值和渦流損耗值的變化。

表1 拉板開不同槽數(shù)時磁通密度幅值和渦流損耗值

從圖4、圖5、表1可以看出，拉板開槽可減小拉板渦流損耗密度，拉板環(huán)流區(qū)也明顯減小。這是由于拉板處于繞組漏磁場的輻向漏磁通過的位置，拉板開槽以后，通過分隔開的每一部分的輻向磁通減少，其感應(yīng)電動勢減少，另外拉板開槽使其內(nèi)阻增大，而渦流回路長度幾乎沒有變化，因此渦流密度降低，渦流損耗也降低。開槽還可以抑制環(huán)流的產(chǎn)生。最大的渦流損耗密度出現(xiàn)在對應(yīng)繞組端部的拉板邊緣，是拉板最易產(chǎn)生局部過熱的位置，拉板開槽后，渦流損耗密度明顯下降，其中開一槽效果最為明顯，隨著開槽數(shù)的增加效果稍有下降。開三槽的渦流損耗密度趨于平均，沒有局部過大的渦流損耗密度。由于在拉板上開槽會降低拉板的機械強度，所以開槽數(shù)不宜過多。

2)拉板開三槽時開槽長度和寬度變化對渦流分布的影響。隨拉板開槽長度改變時各物理量幅值變化如表2所示。隨拉板開槽寬度改變時各物理量幅值的變化如表3所示。

表2 拉板開不同槽長時各量幅值(槽寬為0.015 m)

表3 拉板開不同槽寬時各量幅值(槽長為2.46 m)

由表2可以看出槽長度的增加可以減小拉板的渦流密度。但損耗值不是隨槽長的增加而線性減小，槽長增加到一定值后，損耗減小效果降低。

由表3可以看出增加槽寬度可以減小拉板的渦流密度。但槽寬變化對拉板損耗的降低效果沒有槽長變化時大。受溫升和機械強度的影響，設(shè)計產(chǎn)品時要根據(jù)實際情況合理設(shè)計拉板的開槽，開槽數(shù)不宜過多，且開槽長度一定要超過繞組高度。

4 結(jié)論

通過運用建立的電力變壓器鐵芯拉板三維漏磁場模型對變壓器漏磁場、渦流密度和渦流損耗密度的計算分析，并經(jīng)算例驗證，其結(jié)果為拉板開槽數(shù)、開槽長度、開槽寬度的增加可有效地減小拉板渦流損耗，進而避免了渦流產(chǎn)生的變壓器過熱。

［1］路長柏．電力變壓器理論與計算［M］．沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007．

［2］謝毓城．電力變壓器手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2003．

［3］閻照文．ANSYS 10.0工程電磁分析技術(shù)與實例詳解［M］．北京:中國水利電力出版社，2006．

［4］井永騰，李 巖，李洪奎，等．基于ANSYS軟件的電力變壓器磁場和結(jié)構(gòu)件損耗計算［J］．變壓器，2009.46(7):5－7．