大型變壓器結構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）

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大型變壓器結構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：在電工設備運行中，其雜散損耗問題對于數值仿真以及實驗研究都可以說是難度較高的一項問題，對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，并可能因此導致發生結構的局部過熱現象，需要做好研究處理。

關鍵詞：大型變壓器；結構件損耗；局部過熱；仿真研究

1 引言

近年來，我國的電力事業獲得了較為迅速的發展，在提升社會電力供應效果的同時對硬件也具有了更高的要求：變壓器結構更加復雜、其電壓等級以及容量不斷提高，在該種情況下，由漏磁通引起的構件局部過熱問題愈發嚴重。對于變壓器設備來說，如果其內部漏磁屏蔽結構存在著不合理的現象，在漏磁集中的情況下，則會因熱點溫升超標以及結構件渦流損耗過高而導致變壓器運行事故的出現。對此，對不同類型金屬構件的渦流損耗進行計算以及對金屬構件渦流場進行分析則成為了非常重要的一項內容。而為了其在實際應用中發生局部過熱現象，則需要在做好發熱源確定的基礎上做好損耗計算工作，在獲得準確損耗數據的同時以科學方式的應用實現構件渦流損耗以及漏磁量的控制。在本文中，將以720MVA/500kV三相發電機位置，通過有限元軟件的應用對其結構件損耗、結構件熱點溫升以及產品漏磁場等進行仿真研究，以此為變壓器的穩定、安全運行提供支持與保障。

2 變壓器磁場仿真

要想更為準確的實現結構件的溫升計算，做好結構件渦流損耗的計算可以說是非常重要的一項基礎。在結構件損耗方面，可能對其產生影響的因素包括有材料構件的精確剖分、繞組勵磁的準確加載以及仿真模型的科學建立等。

2.1 產品基本參數

在本研究中，計算對象為一臺三相發電機變壓產品，為三相五柱帶鐵心結構，為高低壓雙繞組變壓器。在實際計算中，需要進行計算的場域包括有：繞組、夾件、磁屏蔽、變壓器鐵心以及油箱等等，而根據對稱性方面的考慮，我們對其進行了適當的簡化，對1/2結構模型進行了建立。

2.2 結構件網格剖分

在變壓器結構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。而對于不同的結構件，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。根據透入深度的差異，則會使不同結構件在渦流密度以及磁通密度的分布規律方面存在著較大的差異，對此，就需要在三維渦流場有限元分析工作開展的基礎上以不同方式的應用對其損耗進行計算。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，對此，在變壓器產品中，則不需要以分層的方式對其進行剖分。而對于普通鋼材料來說，由于其所具有的透入深度值較小，對此，則需要對其進行分層剖分處理。

2.3 繞組勵磁加載

在對電流勵磁進行加載時，需要重點注意的一點的是避免電流在求解區域停止，在以整個繞組方式進行求解時，電力在會在相關區域當中實現閉合，即對1/2模型進行應用，當以該方式進行求解時，繞組端面則需要在邊界面位置進行建立，并根據安匝分區的不同對其進行加載處理。

2.4 漏磁場計算

在該項內容中，我們通過Magnet軟件的應用進行了仿真計算，在油箱沒有進行分層時，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，其損耗值位置225.2 kW。從上表數據的分析以及對比可以了解到，當沒有對鋼油箱進行分層處理時，所獲得的渦流損耗較大，而要想保證以更為準確的方式進行計算，則需要對其進行分層處理，此時其在損耗方面則不再存在較為明顯的增加。

3 結構件溫度場計算

在該計算內容中，是在通過Magnet結構件軟件對渦流損耗進行計算的基礎上，將其作為溫度場計算勵磁進行加載，在完成加載之后，再對結構件材料所具有的熱屬性進行附加，包括有比熱容以及熱導率等等。在完成這部分屬性的附加處理之后，則會根據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構表面對筆筒的對流系數進行附加，之后再進行構件的溫度計算。

在本研究中，分別對低壓出線上無銅屏蔽以及有銅屏蔽情況下的熱點溫升進行計算。經過計算，在較大電流引線的影響下，對于無銅屏蔽情況，其熱點溫升145K，不能夠對要求進行滿足，而通過箱沿邊位置對銅屏蔽的粘貼，則能夠實現對熱點溫升的有效降低，處于48K，能夠對設計要求進行滿足。

4 仿真結果

經過仿真可以得到：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）。對于該損耗來說，即由負載試驗損耗同繞組電阻損耗、環流損耗以及渦流損耗相減得出，經計算其損耗誤差為2.6%。部件方面，油箱溫升計算值為54（K），溫升試驗值為53（K），低壓升高座溫升計算值為51（K），溫升試驗值為53（K），試驗值同實際結構溫升值間的吻合情況較好，即表明該方式在準確性以及正確性方面具有著較好的表現。

5 結論

在上文中，我們以實例的方式對大型變壓器結構件損耗及局部過熱仿真進行了一定的研究，并獲得有以下結論：第一，通過Magnet仿真軟件的應用對結構件的渦流損耗以及繞組漏磁場進行了計算，通過繞組勵磁的準確加載以及網格的合理剖分，使結構件試驗值同損耗計算值間具有著較為吻合的特征，該結果表明了，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確性，能夠較好的對大型變壓器的結構件損耗以及三維漏磁場等值進行計算；第二，通過磁熱耦合方式的應用對溫升情況進行計算，并通過布置屏蔽方式的合理應用對局部過熱情況進行了有效的避免。

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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變壓器的結構設計。