蔡鈿, 池波

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干式整流變壓器電磁設(shè)計(jì)研究

蔡鈿, 池波

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149 )

常用干式變壓器的主要特點(diǎn)有：防潮、防爆、損耗小、抗噪能力強(qiáng)、抗短路能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于船用電力推進(jìn)系統(tǒng)電力配套。在干式變壓器設(shè)計(jì)中電磁設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確分析出干式變壓器的電磁場分布具有十分重要的作用。本文主要是根據(jù)某型干式變壓器的參數(shù)，利用Ansys有限元仿真軟件，結(jié)合已有的電磁場理論，建立合理的干式變壓器數(shù)學(xué)仿真模型，利用此模型模擬了干式變壓器的漏磁場分布，并計(jì)算了變壓器的橫向漏磁。

干式變壓器 有限元 漏磁場

0 引言

在干式變壓器工程設(shè)計(jì)中變壓器的漏磁場分布是其中一項(xiàng)主要參數(shù)，干式變壓器容量的大小直接影響了漏磁場的大小。當(dāng)變壓器容量由小變大時，漏磁場的強(qiáng)度也會由弱變強(qiáng)，這會造成變壓器各項(xiàng)附加損耗增大。在干式變壓器電磁設(shè)計(jì)中有兩方面主要影響：一方面，若電磁設(shè)計(jì)不當(dāng)，直接影響變壓器的內(nèi)部溫升，使局部溫升過高，導(dǎo)致變壓器的熱性能被破壞，輕則使變壓器絕緣材料熱老化，重則使變壓器絕緣材料直接擊穿；另一方面，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時會產(chǎn)生短路電流，該段路電流會導(dǎo)致漏磁場的產(chǎn)生，此時的漏磁場比普通漏磁場大很多，因此會造成較大的機(jī)械力，對干式變壓器的絕緣和性能有很大的影響。綜上所述，在干式變壓器工程設(shè)計(jì)中變壓器的漏磁場計(jì)算與仿真有很大的必要性。

1 電磁場有限元法基本原理

根據(jù)基爾霍夫第二定律，一次側(cè)的電勢平衡方程式應(yīng)為：

如果所有各量均隨時間按正弦變化，式（4）便可寫成復(fù)數(shù)形式：

ANSYS仿真軟件中所使用到的有限元分析在電磁場分析中起著重要作用。在電磁場分析中，有限差分析法先于有限元分析法得到應(yīng)用。有限差分析法是直接求電磁場的基本方程，該分析法首先將求解區(qū)域分成規(guī)則或不規(guī)則的網(wǎng)格，然后根據(jù)網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)利用差分方程近似微分方程，形成離散化的差分方程組并求解之[4,5]。

2 基于ANSYS的電磁場有限元分析

ANSYS仿真軟件可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流體分析、電磁場分析等領(lǐng)域，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合起來，是目前有限元分析軟件中運(yùn)用最為廣泛的一款軟件。該仿真軟件主要分為：前處理、分析求解和后處理三大部分，其具體求解如圖1所示。

3 電磁設(shè)計(jì)中漏磁場的分析與仿真

3.1 干式變壓器的技術(shù)參數(shù)

本文所涉及到的干式變壓器具體參數(shù)如下：

額定容量：4000 kVA；額定電壓：690 V；變比：6.6±2×2.5％/1.98 kV；連接組別：Dyn11；鐵芯直徑：345 mm；鐵芯窗高：1060 mm。

根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求，本臺干式變壓器使用箔 式繞組，使用樹脂澆注。具體箔式繞組的參數(shù)如表1。高壓繞組與低壓繞組內(nèi)部每一層即為一匝，由表1中數(shù)據(jù)可以看到低壓繞組為厚度是0.3 mm的銅箔，高壓繞組為厚度是1.4 mm的銅箔。低壓繞組有兩個寬度為10 mm的氣道，高壓繞組由一個寬度為15 mm的氣道，兩者之間相差120 mm。

在分析中需要了解各個材料的物理屬性參數(shù)，本文研究的是箔式繞組的樹脂澆注干式變壓器，各種材料屬性參數(shù)見表2 所示。

3.2 變壓器電磁場數(shù)值分析模型

本文所涉及到的干式變壓的漏磁場分布為三維漏磁場，三相內(nèi)部線圈如若同時利用ANSYS仿真軟件建模分析計(jì)算所需時間較長，而且在建立仿真模型時較為復(fù)雜。因此本文中的干式變壓器在仿真時，利用了干式變壓器三相內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相似性，將三維仿真模型簡化為二維仿真模型進(jìn)行磁場仿真計(jì)算，在建立模型時，可以僅對其中任意某一相繞組進(jìn)行建模分析，具體干式變壓器二維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 漏磁場的仿真分析

本文仿真計(jì)算出了箔式繞組環(huán)氧澆注干式變壓器的漏磁場。由下圖仿真結(jié)果可以看出，該干式變壓器繞組的中間部分主要是沿著軸向分布的，而漏磁場主要是集中在低壓繞組和高壓繞組之間。越是靠近兩個繞組的兩個端部，漏磁場的方向發(fā)生變化越明顯。該變壓器的漏磁分為兩路：一路由繞組內(nèi)部進(jìn)入鐵芯構(gòu)成閉合回路；另一路向外由繞組外側(cè)構(gòu)成閉合回路。

3.4 變壓器的橫向漏磁分布

本文所研究的干式變壓器所使用的箔繞組是相對較大的塊狀單體，其橫向漏磁是不應(yīng)忽視的。一般在變壓器工程設(shè)計(jì)中，主要考慮的是變壓器的縱向漏磁分量，對橫向漏磁分量容易忽視。在實(shí)際變壓器工作時，變壓器的橫向漏磁分量會隨著變壓器容量的增大而增大，這樣因橫向漏磁分量造成的橫向渦流損耗也會隨之變大。

因此，在干式變壓器設(shè)計(jì)中，其橫向漏磁的計(jì)算與分析是不容忽視的。

圖3至圖6依次為低壓繞組和高壓繞組的橫向漏磁仿真圖，根據(jù)該四個仿真結(jié)果可以看出，干式變壓器的高壓繞組、低壓繞組的內(nèi)徑和外徑其繞組的橫向漏磁在兩端都比中間大。因此可以得出橫向漏磁主要是沿軸向從繞組的兩端相中間逐漸減小的，在兩端處最大，而中間處最小。

出現(xiàn)該分部的主要原因是：干式變壓器的磁力線在繞組內(nèi)部主要是平行于軸向分部的，但在兩端時磁力線會發(fā)生偏折，若高壓繞組和低壓繞組高度不同，磁力線的偏折會更加明顯，這樣會造成橫向漏磁更大。由于干式變壓器中大多數(shù)平行于軸向分部的磁力線都會發(fā)生偏折，這樣就會使干式變壓器的橫向漏磁密度大大增大，最終導(dǎo)致繞組兩端的渦流損耗變大。

4 結(jié)論

本文建立了干式變壓器的基本仿真模型，根據(jù)干式變壓器的簡化結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合磁場理論，采用有限元法建立了干式變壓器的漏磁場數(shù)學(xué)模型，用此模型模擬了干式變壓器的漏磁場分布，并計(jì)算了干式變壓器的橫向漏磁。根據(jù)Ansys軟件分析得出的干式變壓器的橫向漏磁分布，進(jìn)行進(jìn)一步的分析，得到了產(chǎn)生該橫向漏磁場的原因，為干式變壓器的工程設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了相關(guān)依據(jù)。

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Research and Design of Electromagnetic Field for Dry-type Rectifier Transformer

Cai Tian, Chi Bo

（China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China）

TM412

A

1003-4862（2014）11-0044-04

2014-08-25

蔡鈿(1962-), 男，教授級高級工程師。研究方向：海洋工程裝備。