大型电力变压器拉板涡流损耗的研究

2012-10-11刘丹丹刘文里王录亮

黑龙江电力 2012年1期

刘丹丹，刘文里，王录亮

(哈尔滨理工大学，黑龙江哈尔滨150080)

0 引言

在变压器运行中，由于漏磁场的作用会在变压器金属结构件中产生涡流损耗［1］。铁芯拉板位于铁芯叠片和线圈之间，该处是电力变压器中的高漏磁区域，容易造成涡流损耗的过度集中，引起局部过热［2］。因此分析拉板的涡流分布，采取相应措施避免由此产生的局部过热，对变压器的正常运行具有重要意义。本文通过对变压器结构进行合理的简化，建立了求解电力变压器拉板的三维漏磁场模型，结合1台180 MVA变压器，用ANSYS有限元法获得了拉板涡流损耗密度分布，并计算分析了拉板不同开槽数、开槽长度和开槽宽度对拉板涡流损耗分布的影响。

1 模型建立

由于变压器结构复杂，不具有整体轴对称性，漏磁场产生区域的几何形状极不规则，二维模型只能视为某些局部场域的近似，特别是在不能忽略端部效应时，无法全面反映涡流损耗的分布情况。因此采用三维模型计算拉板的涡流损耗。

根据变压器结构特点，作以下几点假设:

1)近似认为金属结构件材料为线性、均匀、各向同性。

2)变压器箱体关于绕组中心连线前后对称。

3)箱盖、箱底与侧壁为直角连接。

4)忽略拉板的固定孔。

模型如图1所示，其中绕组、拉板模型如图2所示。

利用SOLID117单元计算拉板涡流损耗，不考虑拉板涡流的去磁作用及位移电流的影响。涡流区(油箱、拉板、压板)的自由度设置为AZ，非涡流区(绕组、铁芯、油)的自由度设置为 AZ，VOLT［3］。由于集肤效应，磁场将从导体表面沿垂直方向向内部衰减，形成透入深度的现象。大型电力变压器的拉板一般使用低导磁或非导磁材料［4］，其透入深度为几十毫米，大于拉板厚度，所以划分网格时分层较少。变压器油箱使用低碳钢材料，其透入深度为2.03 mm，小于油箱厚度，故油箱厚度方向应多层剖分使每层厚度小于其透入深度。由于油箱、拉板、绕组几何形状规则，并考虑到所关心区域的计算精度，所以选用扫略网格剖分方式进行剖分，其余部分选用自由网格剖分方式，相应的有限元剖分单元数为145 339，节点数为318 649。选用三维谐波场对涡流场进行计算分析，在绕组上施加电流密度载荷;在油箱外表面和轴对称面施加磁力线平行边界条件，满足第一类边界条件;在其它边界面施加磁力线垂直边界条件，满足第二类边界条件。

2 计算原理

在三维涡流场的研究中通常把区域分成涡流区和非涡流区两部分，如图3所示。

图3 求解区域图

在涡流区采用矢量磁位→A和标量电位φ作为未知函数，在非涡流区只用→A作未知函数。由麦克斯韦方程组可知，在V1内:

在V1内:

在V2内:

3 计算结果与分析

对1台180 MVA/220 kV三绕组变压器高－中运行时的拉板磁通密度、涡流密度、涡流损耗密度进行计算分析。

1)拉板不开槽、开1～3槽对涡流分布的影响。拉板开槽数变化时，涡流密度和涡流损耗密度分布分别如图4、图5所示。图4、图5中拉板长2.51 m，宽0.3 m，厚0.01 m，沿拉板高度方向在其上开有长2.46 m、宽0.015 m的通槽，表1为拉板开槽数改变时磁通密度幅值和涡流损耗值的变化。

表1 拉板开不同槽数时磁通密度幅值和涡流损耗值

从图4、图5、表1可以看出，拉板开槽可减小拉板涡流损耗密度，拉板环流区也明显减小。这是由于拉板处于绕组漏磁场的辐向漏磁通过的位置，拉板开槽以后，通过分隔开的每一部分的辐向磁通减少，其感应电动势减少，另外拉板开槽使其内阻增大，而涡流回路长度几乎没有变化，因此涡流密度降低，涡流损耗也降低。开槽还可以抑制环流的产生。最大的涡流损耗密度出现在对应绕组端部的拉板边缘，是拉板最易产生局部过热的位置，拉板开槽后，涡流损耗密度明显下降，其中开一槽效果最为明显，随着开槽数的增加效果稍有下降。开三槽的涡流损耗密度趋于平均，没有局部过大的涡流损耗密度。由于在拉板上开槽会降低拉板的机械强度，所以开槽数不宜过多。

2)拉板开三槽时开槽长度和宽度变化对涡流分布的影响。随拉板开槽长度改变时各物理量幅值变化如表2所示。随拉板开槽宽度改变时各物理量幅值的变化如表3所示。