金 順（常州東芝變壓器有限公司,江蘇 常州 213000）

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大型變壓器結(jié)構(gòu)件損耗及局部過熱仿真研究

金 順
（常州東芝變壓器有限公司,江蘇 常州 213000）

摘 要：在電工設(shè)備運(yùn)行中，其雜散損耗問題對(duì)于數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)研究都可以說是難度較高的一項(xiàng)問題，對(duì)于大型電力變壓器來說，由于其容量的增加，渦流損耗以及漏磁場也將隨之增加，并可能因此導(dǎo)致發(fā)生結(jié)構(gòu)的局部過熱現(xiàn)象，需要做好研究處理。

關(guān)鍵詞：大型變壓器；結(jié)構(gòu)件損耗；局部過熱；仿真研究

1 引言

近年來，我國的電力事業(yè)獲得了較為迅速的發(fā)展，在提升社會(huì)電力供應(yīng)效果的同時(shí)對(duì)硬件也具有了更高的要求：變壓器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、其電壓等級(jí)以及容量不斷提高，在該種情況下，由漏磁通引起的構(gòu)件局部過熱問題愈發(fā)嚴(yán)重。對(duì)于變壓器設(shè)備來說，如果其內(nèi)部漏磁屏蔽結(jié)構(gòu)存在著不合理的現(xiàn)象，在漏磁集中的情況下，則會(huì)因熱點(diǎn)溫升超標(biāo)以及結(jié)構(gòu)件渦流損耗過高而導(dǎo)致變壓器運(yùn)行事故的出現(xiàn)。對(duì)此，對(duì)不同類型金屬構(gòu)件的渦流損耗進(jìn)行計(jì)算以及對(duì)金屬構(gòu)件渦流場進(jìn)行分析則成為了非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容。而為了其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生局部過熱現(xiàn)象，則需要在做好發(fā)熱源確定的基礎(chǔ)上做好損耗計(jì)算工作，在獲得準(zhǔn)確損耗數(shù)據(jù)的同時(shí)以科學(xué)方式的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)構(gòu)件渦流損耗以及漏磁量的控制。在本文中，將以720MVA/500kV三相發(fā)電機(jī)位置，通過有限元軟件的應(yīng)用對(duì)其結(jié)構(gòu)件損耗、結(jié)構(gòu)件熱點(diǎn)溫升以及產(chǎn)品漏磁場等進(jìn)行仿真研究，以此為變壓器的穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供支持與保障。

2 變壓器磁場仿真

要想更為準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的溫升計(jì)算，做好結(jié)構(gòu)件渦流損耗的計(jì)算可以說是非常重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)件損耗方面，可能對(duì)其產(chǎn)生影響的因素包括有材料構(gòu)件的精確剖分、繞組勵(lì)磁的準(zhǔn)確加載以及仿真模型的科學(xué)建立等。

2.1 產(chǎn)品基本參數(shù)

在本研究中，計(jì)算對(duì)象為一臺(tái)三相發(fā)電機(jī)變壓產(chǎn)品，為三相五柱帶鐵心結(jié)構(gòu)，為高低壓雙繞組變壓器。在實(shí)際計(jì)算中，需要進(jìn)行計(jì)算的場域包括有：繞組、夾件、磁屏蔽、變壓器鐵心以及油箱等等，而根據(jù)對(duì)稱性方面的考慮，我們對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，?duì)1/2結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了建立。

2.2 結(jié)構(gòu)件網(wǎng)格剖分

在變壓器結(jié)構(gòu)件存在的雜散損耗中，其包括有拉板、屏蔽、夾件以及磁滯損耗以及渦流損耗等等。而對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)件，其在電磁特性方面也存在著一定的不同，并因此在投入深度方面具有著較大的差異。根據(jù)透入深度的差異，則會(huì)使不同結(jié)構(gòu)件在渦流密度以及磁通密度的分布規(guī)律方面存在著較大的差異，對(duì)此，就需要在三維渦流場有限元分析工作開展的基礎(chǔ)上以不同方式的應(yīng)用對(duì)其損耗進(jìn)行計(jì)算。從上表中，我們可以看到，地磁鋼板透入深度值要大于其余部件的厚度，對(duì)此，在變壓器產(chǎn)品中，則不需要以分層的方式對(duì)其進(jìn)行剖分。而對(duì)于普通鋼材料來說，由于其所具有的透入深度值較小，對(duì)此，則需要對(duì)其進(jìn)行分層剖分處理。

2.3 繞組勵(lì)磁加載

在對(duì)電流勵(lì)磁進(jìn)行加載時(shí)，需要重點(diǎn)注意的一點(diǎn)的是避免電流在求解區(qū)域停止，在以整個(gè)繞組方式進(jìn)行求解時(shí)，電力在會(huì)在相關(guān)區(qū)域當(dāng)中實(shí)現(xiàn)閉合，即對(duì)1/2模型進(jìn)行應(yīng)用，當(dāng)以該方式進(jìn)行求解時(shí)，繞組端面則需要在邊界面位置進(jìn)行建立，并根據(jù)安匝分區(qū)的不同對(duì)其進(jìn)行加載處理。

2.4 漏磁場計(jì)算

在該項(xiàng)內(nèi)容中，我們通過Magnet軟件的應(yīng)用進(jìn)行了仿真計(jì)算，在油箱沒有進(jìn)行分層時(shí)，其損耗值為150.01kW，在分二層的情況下，其損耗值為220.1 kW，在分三層的情況下，其損耗值為225.03 kW，在分四層時(shí)，其損耗值位置225.2 kW。從上表數(shù)據(jù)的分析以及對(duì)比可以了解到，當(dāng)沒有對(duì)鋼油箱進(jìn)行分層處理時(shí)，所獲得的渦流損耗較大，而要想保證以更為準(zhǔn)確的方式進(jìn)行計(jì)算，則需要對(duì)其進(jìn)行分層處理，此時(shí)其在損耗方面則不再存在較為明顯的增加。

3 結(jié)構(gòu)件溫度場計(jì)算

在該計(jì)算內(nèi)容中，是在通過Magnet結(jié)構(gòu)件軟件對(duì)渦流損耗進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，將其作為溫度場計(jì)算勵(lì)磁進(jìn)行加載，在完成加載之后，再對(duì)結(jié)構(gòu)件材料所具有的熱屬性進(jìn)行附加，包括有比熱容以及熱導(dǎo)率等等。在完成這部分屬性的附加處理之后，則會(huì)根據(jù)變壓器在散熱方面存在的差異以及不同位置所存在油流情況的不同在結(jié)構(gòu)表面對(duì)筆筒的對(duì)流系數(shù)進(jìn)行附加，之后再進(jìn)行構(gòu)件的溫度計(jì)算。

在本研究中，分別對(duì)低壓出線上無銅屏蔽以及有銅屏蔽情況下的熱點(diǎn)溫升進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，在較大電流引線的影響下，對(duì)于無銅屏蔽情況，其熱點(diǎn)溫升145K，不能夠?qū)σ筮M(jìn)行滿足，而通過箱沿邊位置對(duì)銅屏蔽的粘貼，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)溫升的有效降低，處于48K，能夠?qū)υO(shè)計(jì)要求進(jìn)行滿足。

4 仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真可以得到：油箱損耗的損耗值為214.1（kW），夾件損耗的損耗值為89.3（kW），拉板損耗的損耗值為40.1（kW），磁屏蔽損耗的損耗值為77.5（kW）。對(duì)于該損耗來說，即由負(fù)載試驗(yàn)損耗同繞組電阻損耗、環(huán)流損耗以及渦流損耗相減得出，經(jīng)計(jì)算其損耗誤差為2.6%。部件方面，油箱溫升計(jì)算值為54（K），溫升試驗(yàn)值為53（K），低壓升高座溫升計(jì)算值為51（K），溫升試驗(yàn)值為53（K），試驗(yàn)值同實(shí)際結(jié)構(gòu)溫升值間的吻合情況較好，即表明該方式在準(zhǔn)確性以及正確性方面具有著較好的表現(xiàn)。

5 結(jié)論

在上文中，我們以實(shí)例的方式對(duì)大型變壓器結(jié)構(gòu)件損耗及局部過熱仿真進(jìn)行了一定的研究，并獲得有以下結(jié)論：第一，通過Magnet仿真軟件的應(yīng)用對(duì)結(jié)構(gòu)件的渦流損耗以及繞組漏磁場進(jìn)行了計(jì)算，通過繞組勵(lì)磁的準(zhǔn)確加載以及網(wǎng)格的合理剖分，使結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)值同損耗計(jì)算值間具有著較為吻合的特征，該結(jié)果表明了，在本研究中所提出的三維有限元仿真方式具有著較好的可行性以及準(zhǔn)確性，能夠較好的對(duì)大型變壓器的結(jié)構(gòu)件損耗以及三維漏磁場等值進(jìn)行計(jì)算；第二，通過磁熱耦合方式的應(yīng)用對(duì)溫升情況進(jìn)行計(jì)算，并通過布置屏蔽方式的合理應(yīng)用對(duì)局部過熱情況進(jìn)行了有效的避免。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.227

作者簡介：金順（1983-），男，江蘇常州人，本科，主要從事220kv 及500kv變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。