電力機車主變壓器磁屏蔽結構的分析與優化

朱丹，遲青光，劉圳，王超

(1.中車大連機車車輛有限公司， 遼寧 大連 116022;2.沈陽工業大學 電氣工程學院, 遼寧 沈陽 110870)*

?

·研究簡報·

電力機車主變壓器磁屏蔽結構的分析與優化

朱丹1，遲青光1，劉圳1，王超2

(1.中車大連機車車輛有限公司， 遼寧 大連 116022;2.沈陽工業大學 電氣工程學院, 遼寧 沈陽 110870)*

針對變壓器存在的局部漏磁場過大，導致在使用過程中容易造成溫升過高，最終影響變壓器安全可靠運行的問題，采用Magnet軟件對機車主變壓器進行建模，對最高網側電壓31kV時的工況條件下變壓器漏磁場及渦流損耗進行分析計算，驗證磁屏蔽結構方案的可行性，并進行優化改造，從而減小了變壓器的漏磁損耗，提高了變壓器整體的可靠性和經濟效益.

Magnet軟件；主變壓器；漏磁場；磁屏蔽

0 引言

機車主變壓器作為電力機車車載牽引系統的核心裝備，承載著牽引供電的重要任務.由于機車主變壓器是單相多繞組的結構，因此其復合短路阻抗的計算一直是設計和制造人員最為關心的技術參數之一.同時變壓器的阻抗值要求越來越高，漏磁場分布復雜，設計難度越來越大，其局部過熱和溫升的問題也變得越來越突出.針對以上問題，學者們通過對漏磁場分布的密集點進行磁屏蔽處理來減小漏磁場從而減小渦流損耗,以提高變壓器整體的經濟效益[1-2].

本文為了驗證設計方案的可行性，給設計方案提供理論依據，選用Magnet軟件采用基于T-Ω位組的三維求解算法對設計方案進行理論分析.該算法的特點是采用了基于1階到3階插值多項式的層疊元.在T-Ω方法中磁場強度被描述為兩部分和的形式：一部分為標量位的梯度，另一部分是在導體區將矢量場用矢量棱單元表示.因此，所求得的解矢量由兩部分組成：節點處的磁標量位和矢量棱邊自由度.該方法由于在非導體區域采用標量位求解，從而節省了計算機的內存.另外，T-Ω法不會遇到其他算法中經常遇到的結果的收斂性和不穩定性問題，可靠性相對比較高.

1 模型建立

針對主變壓器的對稱性，同時為了減少計算量和計算時間，采用Magnet軟件建立1/2主變壓器的分析模型如圖1所示，模型中各部件的材料屬性如表1所示.從鐵心由內向外依次為牽引繞組、高壓繞組、供電繞組和輔助繞組.其中高壓繞組8組并聯，所有低壓繞組各自獨立.為了得到精確地磁密及渦流損耗的分布結果，建立了油箱壁、夾件、壓梁和旁托架的物理模型，并采用具有較強的自適應性的四面體剖分法進行有限元的計算.總剖分單元數為1943338，節點數為579322.

圖1 主變壓器漏磁場分析模型

結構電導率/(S·m-1)介電常數鐵心、磁屏蔽2.22×1061夾件1.39×1061油箱6.5×1061繞組5.7×1071變壓器油1×10-142.2絕緣材料1×10-183.5

2 數值分析

2.1 激勵加載

本文采用基于磁勢平衡的變壓器三維漏磁場分析方法[3]，在保證高壓側和低壓側安匝平衡的條件下，按照給定電流密度進行激勵加載.各繞組的激勵加載情況如表2所示.

表2 各繞組激勵加載情況

2.2 求解器設置

對所建立的模型賦予材料屬性時，因為存在非線性導磁材料，在Magnet軟件的求解器設置中求解器類型選項要將參數設置為非線性，采用Newton-Raphson法，具體參數設置見表3 .

表3 求解器設置

3 漏磁場仿真分析結果

圖2所示是隱去磁屏蔽后主變壓器油箱箱體底面的漏磁分布.由仿真結果表明，變壓器在額定負載情況下，油箱磁密分布不均勻，油箱箱體底面磁密介于0.4～0.8 T.

圖3所示是隱去磁屏蔽的主變壓器油箱箱體底面的渦流密度分布.由仿真結果表明，變壓器在額定負載情況下，油箱渦流密度分布不均勻，因而導致油箱上發熱不均勻.

4 優化方案

按照設計圖紙給出的各尺寸參數，建立帶有磁屏蔽的模型，圖4(a)為按照工程圖紙建立的油箱和磁屏蔽結構.磁屏蔽厚度為15 mm，距離油箱壁3 mm.根據油箱箱體底面的磁密云圖和渦流密度云圖，對磁屏蔽位置做出調整后的油箱和磁屏蔽結構見圖4(b).保持磁屏蔽厚度為15 mm，距離油箱壁3 mm.

圖4 磁屏蔽安放位置示意圖

以機車縱向中心線為中線線，靠近一端司機室的方向定義為前方，將油箱箱體分為前后左右四塊，其中左右兩側安放有磁屏蔽.損耗結果見表4.

表4 磁屏蔽安放位置對損耗 W

由表4可見，磁屏蔽的安放明顯減少了油箱上的損耗，而且調整完磁屏蔽安放位置后，油箱上的損耗值進一步減少.

在保證磁屏蔽厚度為15 mm的情況下，對圖4(b)中磁屏蔽的安放位置進一步調整，調整磁屏蔽與油箱壁的距離分別為0、3和6 mm.損耗結果見表5.

表5 磁屏蔽距離油箱壁的距離對損耗 W

可見，當磁屏蔽距離油箱壁越近，油箱壁的損耗值就越小.

在原磁屏蔽安放位置的基礎上，保證磁屏蔽與油箱壁的距離為原距離3 mm不變的情況下，調整磁屏蔽厚度分別為10、13、15和18 mm，仿真結果見表6.

表6 不同磁屏蔽厚度對油箱損耗 W

可見，當磁屏蔽厚度為15 mm時，屏蔽效果最佳.對于磁屏蔽安放位置，可以按照圖4進行重新放置，保證原來厚度15 mm不變，盡量貼近油箱壁.

5 結論

本文通過Magnet軟件對設計的變壓器建模并進行漏磁場的有限元分析.通過分析驗證了方案的可行性.并根據分析結果，對電力機車變壓器進行優化設計，更改了磁屏蔽結構.通過驗證，磁屏蔽結構的調整，有效的減小了變壓器的漏磁損耗，提高了變壓器的可靠性及經濟效益.

[1]朱占新.謝德馨.張艷麗.大型電力變壓器三維漏磁場與結構件損耗的時域分析[J].中國電機工程學報, 2012(9):156-160.

[2]趙志剛,程志光,劉福貴,等.基于漏磁通補償的導磁鋼板直流偏磁雜散損耗特性模擬[J].電工技術學報，2015(8) :38-44.

[3]謝德馨,朱占新,吳東陽,等.大規模工程渦流場有限元計算的困境與展望[J].中國電機工程學報，2015(5):1250-1257.

1673-9590(2016)04-0118-03

2015-07-31

朱丹(1978-)，女，高級工程師，碩士，主要從事電力機車變壓器設計的研究E-mail:zhudan02@163.com.

B