基于有限元法的油浸式變壓器磁場分布仿真分析

張森 姚毅杰 張益偉 梅雨菲 劉建婷

摘 ?要：作為電力系統中的關鍵設備，油浸式變壓器的應用也愈加廣泛。其運行狀態直接關系到電網的穩定運行，這也對其性能和質量提出了更高的要求。文章以實際油浸式電力變壓器為例，建立三維仿真模型。通過采用有限元仿真軟件，對比分析在不同電壓等級下模型的磁場分布情況，對進一步研究漏磁場和變壓器優化設計及早期故障檢測與診斷提供一定的參考依據。

關鍵詞：油浸式變壓器;磁場分布;優化設計;雷擊過電壓

中圖分類號：TM411 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）28-0018-03

Abstract： As the key equipment in power system， oil-immersed transformer is more and more widely used. Its running state is directly related to the stable operation of the power grid， which also puts forward higher requirements for its performance and quality. In this paper， taking the actual oil-immersed power transformer as an example， a three-dimensional simulation model is established. Using the finite element simulation software， the magnetic field distribution of the model under different voltage levels is compared and analyzed， which provides a certain reference basis for the further study of leakage magnetic field and transformer optimization design and early fault detection and diagnosis.

Keywords： oil-immersed transformer; magnetic field distribution; optimal design; lightning overvoltage

引言

目前，電網的容量在不斷增大，電力變壓器也在向大容量、特高壓方向不斷發展。這使得變壓器絕緣材料要承受更大的電場強度，繞組中漏磁場增大，渦流損耗及其他損耗等也跟著增大，導致變壓器的溫升更為嚴重，加劇繞組變形等。因此，必須充分考慮變壓器絕緣、損耗和溫度等問題。所以關于這些方面的研究也受到越來越多的重視[1-3]。在變壓器這種發展趨勢下，這就必須對油浸式電力變壓器物理場進行仿真分析。通過研究和分析電氣設備的磁場分布情況，有助于對其進行節能降損和過熱控制，為工程實踐提供參考，這對電氣設備的安全使用和運行維護也具有重要作用[4]。

文獻[4]通過建立二維模型對比分析了在長期工作電壓、雷電沖擊電壓和操作過電壓三種過電壓形式下的電場分布情況。文獻[5]僅利用有限元軟件對干式變壓器的損耗與溫升進行了分析。文獻[6]從不同負載工況角度對10kV三相油浸式變壓器進行了仿真。文獻[7]為了更準確地研究油浸式變壓器溫度場分布，考慮磁場損耗分布不均勻性和溫度對媒質物性參數的影響，提出一種基于非平均熱源的多物理場耦合計算方法。

油浸式電力變壓器在長期運行過程中要經受三種電壓的考驗，即長期工作電壓、雷擊過電壓和內部過電壓。本文以110kV實際油浸式電力變壓器為例，根據變壓器的結構特點、主要技術參數、以及合理的簡化和假設等，建立了三維仿真模型。通過Maxwell仿真軟件，對比分析在長期工作電壓（110kV）、操作過電壓（185kV）和雷擊過電壓（450kV）三種不同電壓等級下模型的磁場強度（H）和磁感應強度（B）的分布情況，總結出磁場分布規律，對變壓器優化設計和早期故障檢測與診斷提供一定的參考依據。

1 油浸式電力變壓器三維仿真模型

本文選用的變壓器為110/10kV，額定容量為50MVA的三相油浸式變壓器。短路損耗為30.1kW，負載損耗為180.1kW。根據《三相油浸式電力變壓器技術參數和要求》等行業標準，鐵芯的磁通密度為Bm=1.75T。

由于變壓器內部幾何構造復雜，為了計算簡便，在滿足計算機的工作限度內使復雜問題簡單化，可忽略鐵芯繞組以外流場區域的漏磁場對其造成的影響，因此在建立模型時對油浸式電力變壓器作以下幾點假設[8-9]：

（1）近似認為變壓器結構件的材料均勻、各向同性;（2）場域中的場量隨時間作正弦變化;（3）變壓器內部繞組中心處連線縱向軸面前后對稱;（4）忽略拉板和夾件結構。上述假設是由于ANSYS軟件與三維模型集成時的條件局限性所決定的，可能會對計算結果的精度產生一些影響，但不影響場分布的總體趨勢和結果分析。

電力變壓器內部鐵芯承載主要部分的磁場，為了降低鐵芯損耗，通常采用0.35mm厚的冷軋硅鋼片疊壓制成。由于鐵芯的材料是非線性的，開始段為線性的，隨著電流或磁場強度H的增大，磁感強度B將飽和。變壓器設計中，要求B工作在線性部分。繞組由銅線圈制成，屬于變壓器電路部分。采用ANSYS軟件中的Maxwell模塊剖分后的模型如圖1所示。

2 三種電壓形勢下變壓器磁場分布

本課題研究的電力變壓器的交變電流可高達1400A左右，其運行時所產生的交變磁場與損耗不容忽視。交變磁場是引起電流損耗的重要因素。以下仿真均取A相峰值時刻為例。

2.1 三種電壓形勢下磁場強度（H）的分布圖

從圖3可以看出，長期工作電壓和操作過電壓情況下磁場強度最大值點在鐵芯中部以及鐵芯橫向與縱向交匯處。雷擊過電壓情況下磁場強度最大值出現在繞組上，幅值上遠超前兩者，繞組的磁場強度決定了整體的磁場強度。

2.2 三種電壓形勢下鐵芯磁感應強度（B）的分布圖

磁感應強度B是描述磁場強弱和方向的物理量，即磁通密度。磁感應強度與磁場強度的區別在于它是描述兩點之間的作用力關系。本文變壓器內部鐵芯作為磁介質，因磁化而產生的磁場在內時，用磁感應強度B表示。

從圖4可以看出鐵芯磁感應強度分布情況和磁場強度分布情況相似，三種電壓情況下最大值點均在鐵芯中部以及鐵芯橫向與縱向交匯處。磁感應強度由幾何中心向四周逐漸遞減，四角位置磁感應強度最弱。長期工作電壓情況下磁感應強度最大為1.71T，操作過電壓為1.75T，雷擊過電壓情況下為2.0T，結合磁場強度分布，此時B將飽和，工作在非線性部分。多次雷擊會對變壓器絕緣造成影響，甚至會毀壞變壓器。

3 結束語

本文通過三維有限元法對三相油浸式電力變壓器分別在長期工作電壓、操作過電壓和雷擊過電壓三種電壓形式下的磁場分布進行了對比分析，仿真結果表明磁場分布與鐵磁材料？滋與H關系曲線相符合。所建立的三維模型，不僅可以為變壓器的優化設計提供理論依據，同時對進一步研究漏磁場和變壓器早期故障檢測與診斷提供一定的參考依據，對保證產品質量具有重要意義。

參考文獻：

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