符雪鵬 苑東升

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一種三相三柱式變壓器鐵心夾件的改進(jìn)結(jié)構(gòu)

符雪鵬 苑東升

（特變電工沈陽(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110144）

本文提出了一種三相三柱式變壓器鐵心夾件結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用有限元（FEM）分析軟件ANSOFT對(duì)該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D漏磁場(chǎng)建模分析，對(duì)比其他兩種常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)，對(duì)變壓器漏磁場(chǎng)及結(jié)構(gòu)件熱點(diǎn)溫升進(jìn)行仿真研究，通過(guò)對(duì)比分析，得出該種結(jié)構(gòu)可以有效避免三相三柱變壓器鐵心外側(cè)漏磁通引起的結(jié)構(gòu)件過(guò)熱的問(wèn)題，也有效降低了三相三柱式鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)耗，為大型三相三柱式變壓器的安全可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障和支持。

三相三柱式變壓器；有限元；夾件結(jié)構(gòu)；漏磁場(chǎng)；熱點(diǎn)溫升；結(jié)構(gòu)耗

隨著國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的迅速發(fā)展，變壓器容量和電壓等級(jí)不斷提高，變壓器的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，由漏磁通引起金屬結(jié)構(gòu)件的局部過(guò)熱問(wèn)題愈來(lái)愈突出。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于三相三柱式變壓器，由于A、C兩相鐵心外側(cè)的線圈間主漏磁場(chǎng)處于三柱鐵心的外側(cè)，很難采用鐵心磁屏蔽措施解決外側(cè)漏磁問(wèn)題，也就是說(shuō)外側(cè)的漏磁集中通常會(huì)造成外側(cè)的鐵心夾件等結(jié)構(gòu)件渦流損耗過(guò)高、結(jié)構(gòu)件發(fā)熱、溫升超標(biāo)、變壓器產(chǎn)氣，甚至造成變壓器的事故。這也是三相三柱式鐵心變壓器結(jié)構(gòu)耗一直比三相五柱式鐵心變壓器大的多的根本原因。因此，對(duì)于三相三柱式變壓器金屬結(jié)構(gòu)件渦流場(chǎng)的分析和各種金屬結(jié)構(gòu)件渦流損耗的計(jì)算也變得愈來(lái)愈重要。

對(duì)于大容量的變壓器往往由于運(yùn)輸或者安裝尺寸的限制，通常會(huì)采用三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)。而對(duì)于大容量的變壓器采用三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)，很難在A相和C相外側(cè)的夾件上布置磁屏蔽，以減小漏磁；而且即使在A相和C相外側(cè)的區(qū)域布置了磁屏蔽，由于外側(cè)的磁屏蔽并不能將漏磁有效的導(dǎo)進(jìn)鐵心中，而使A相和C相外側(cè)鐵心夾件依然處于漏磁集中區(qū)域，因此并不能有效地解決外側(cè)夾件過(guò)熱的問(wèn)題，也不能有效降低因漏磁而使結(jié)構(gòu)件損耗增加的問(wèn)題，效果不是非常的理想。本文采用有限元（FEM）分析軟件ANSOFT對(duì)一臺(tái)美國(guó)300MVA 345kV三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器3D漏磁場(chǎng)進(jìn)行建模分析，經(jīng)過(guò)多種結(jié)構(gòu)對(duì)比并建模驗(yàn)證，確定了一種新的結(jié)構(gòu)方式，有效地避免了漏磁原因造成的三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)外側(cè)鐵心夾件過(guò)熱的問(wèn)題。

1 產(chǎn)品基本參數(shù)及建模

本文中案例變壓器產(chǎn)品型號(hào)為OSFS-300000- 345，鐵心為三相三柱式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品運(yùn)行頻率為60Hz，高-中阻抗為12%，產(chǎn)品容量為300MVA，高壓額定電壓為345kV，中壓額定電壓為230kV。本案例產(chǎn)品的鐵心、油箱等金屬件溫升值要求為80K。

結(jié)合產(chǎn)品鐵心及油箱結(jié)構(gòu)建立漏磁場(chǎng)模型，圖1所示應(yīng)用有限元軟件仿真圖。

圖1 三相三柱式鐵心漏磁場(chǎng)溫度分布圖

在圖1中可以看出，對(duì)于三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)在A相和C相外側(cè)的漏磁通并不能直接進(jìn)入鐵心，因此，兩側(cè)線圈外側(cè)的漏磁場(chǎng)比較大，而使得兩側(cè)上下部的夾件溫升較大。而且，對(duì)于兩側(cè)的漏磁場(chǎng)并不能在外側(cè)增加磁屏蔽措施將漏磁直接導(dǎo)入鐵心，即使硬性的增加磁屏蔽措施，在鐵心外側(cè)漏磁也不能直接導(dǎo)入鐵心形成有效回路，A相和C相外側(cè)的夾件依然處于漏磁集中區(qū)域，外側(cè)的夾件依然會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱的問(wèn)題，而且外側(cè)夾件因處于漏磁區(qū)域，依然會(huì)增大結(jié)構(gòu)件的損耗，因此該種方法的漏磁的控制效果很難滿足大容量三相三柱式變壓器的性能要求。

2 三種結(jié)構(gòu)建模及對(duì)比分析

對(duì)于本臺(tái)產(chǎn)品，下夾件較上夾件距離線圈端部更近，即下夾件所處漏磁場(chǎng)位置更加集中，在圖1中可見在器身兩外側(cè)的下部夾件處溫升最高。本文以下夾件為例進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，針對(duì)3種不同夾件結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)

通常，常規(guī)的夾件結(jié)構(gòu)在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，由于在A相和C相外側(cè)的夾件區(qū)域放置“L”型磁屏蔽并不能將線圈外側(cè)的漏磁導(dǎo)進(jìn)鐵心中，所以?shī)A件外側(cè)及其他位置不做其他措施改進(jìn)。三相三柱式鐵心常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)漏磁場(chǎng)溫升分布圖如圖2所示。

圖2 三相三柱式鐵心常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)漏磁場(chǎng)溫升分布圖

從圖2中可以看出，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并不能減少兩側(cè)線圈外側(cè)的漏磁，因此兩側(cè)線圈外側(cè)的下部夾件溫度依然很高，對(duì)空氣的溫升最高約為91K。

2.2 常規(guī)改進(jìn)夾件結(jié)構(gòu)

相對(duì)于常規(guī)的夾件結(jié)構(gòu)，工程上通常對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些改進(jìn)，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并在兩側(cè)線圈外側(cè)漏磁集中處的上下部夾件增開散熱槽。三相三柱式鐵心常規(guī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)漏磁場(chǎng)溫升分布圖如圖3所示。

圖3 三相三柱式鐵心常規(guī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)漏磁場(chǎng)溫升分布圖

從圖3中可以看出，在兩側(cè)線圈外側(cè)漏磁集中處的上、下部夾件增開散熱槽，改進(jìn)后方案下夾件對(duì)空氣的溫升最高約為76K，相對(duì)常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)稍有改善上、下部夾件的溫升值，但是效果并不是非常顯著。

2.3 改進(jìn)后的夾件結(jié)構(gòu)

對(duì)于一些大容量的三相三柱式變壓器，以上兩種結(jié)構(gòu)的夾件結(jié)構(gòu)并不能滿足產(chǎn)品的性能要求，因此本文提出了一種新的結(jié)構(gòu)形式，在鐵心的上、下夾件可以放置磁屏蔽的相間處放置“L”型磁屏蔽，并在上下部夾件兩側(cè)漏磁集中處開始向外側(cè)去掉一個(gè)臺(tái)階，本臺(tái)產(chǎn)品臺(tái)階尺寸為80mm。三相三柱式鐵心改進(jìn)結(jié)構(gòu)后漏磁場(chǎng)溫升分布圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，在上下部夾件兩側(cè)漏磁集中處開始向外側(cè)去掉一個(gè)臺(tái)階后，能明顯改善上、下部夾件的溫升值，改進(jìn)后方案下夾件對(duì)空氣的溫升最高僅約為61K，效果顯著，很好地保障了產(chǎn)品的性能。

圖4 三相三柱式鐵心改進(jìn)結(jié)構(gòu)后漏磁場(chǎng)溫升分布圖

2.4 三種結(jié)構(gòu)對(duì)比分析通過(guò)三種結(jié)構(gòu)建模后的漏磁場(chǎng)溫升分布圖的對(duì)比

可以看出，本文提出的第三種改進(jìn)結(jié)構(gòu)效果比較明顯，建模仿真后的下部夾件的溫升值最高僅為61K，較前兩種結(jié)構(gòu)的91K和76K有非常大的優(yōu)勢(shì)，可以很好地解決三相三柱式線圈漏磁造成外側(cè)鐵心夾件過(guò)熱的問(wèn)題，將兩側(cè)線圈外側(cè)漏磁集中的夾件去掉一部分后，減少了該部分結(jié)構(gòu)件的漏磁損耗，也就是減少了變壓器的結(jié)構(gòu)件損耗。

該產(chǎn)品按照這種改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試制，效果顯著，實(shí)測(cè)結(jié)果與建模結(jié)果相近，結(jié)構(gòu)件溫升較低，而且該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)耗也比其他三相三柱式鐵心的結(jié)構(gòu)耗比例系數(shù)減少很多，具體見表1。

表1 三相三柱式變壓器三種夾件結(jié)構(gòu)對(duì)比表

3 結(jié)論

本文提出了一種新型的三相三柱式鐵心夾件改進(jìn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比其他兩種常規(guī)夾件結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件建模分析，有力地說(shuō)明：該種夾件結(jié)構(gòu)可以有效避免三相三柱式鐵心外側(cè)漏磁通引起的結(jié)構(gòu)件過(guò)熱的問(wèn)題。通過(guò)該結(jié)構(gòu)的實(shí)際產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)耗比例系數(shù)對(duì)比其他兩種結(jié)構(gòu)的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可以看出本文的改進(jìn)結(jié)構(gòu)有效降低了三相三柱式鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)耗，對(duì)今后大容量變壓器采用三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

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One Type Improved Structure for Three-phase Three-limbs Transformer Clamping Plate

Fu Xuepeng Yuan Dongsheng

(Tbea Electrician Shenyang Transformer Group Co., Ltd, Shenyang 110144)

This paper presents one type structure for three-phase three-limbs transformer core clamping plate by using finite element analysis software ANSOFT (FEM) on the structure analysis of leakage magnetic field model of 3D, compared with the other two conventional clamping structure,made simulation research from transformer leakage magnetic field and the structure of hot spot temperature rise, through comparative analysis, draw this kind of structure which can effectively avoid three-phase three-limbs transformer core outer leakage flux caused structural overheating, but also effectively reduces the structure loss of three-phase three-limbs transformer,and provide a strong guarantee and support for large three-phase three-limbs transformer safe and reliable operation.

three-phase three-limbs transformer; FEM; structure of clamping plate; leakage magnetic field;hot spot temperature rise;structure loss

符雪鵬（1982-），男，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師，從事變壓器研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。