变压器的电磁仿真

2015-01-11DANIELSZARY,JANUSZDUC,BERTRANDPOULIN等

电器工业 2015年4期

变压器的电磁仿真

在整个供电网络中，电力变压器是最昂贵的设备。人们投入了大量精力，力图使变压器的设计趋于完美。有限元方法的仿真软件是实现这一目标的宝贵的工具。

在整个供电网络中，电力变压器是最昂贵的设备。人们投入了大量精力，力图使变压器的设计趋于完美。有限元方法的仿真软件是实现这一目标的宝贵的工具。仿真软件不仅能够预测基本物理现象的影响，而且能够让您获得ABB在变压器设计领域中的百年经验和完美设计。在磁通损耗机理、复杂的非线性性能及实体设计的特质方面，不同类型的变压器呈现不同的挑战，因此这一技术至关重要。所有这些因素都必须得以兼顾，同时还要将计算量控制在合理范围内。

在油浸式和干式电力变压器软件仿真领域，非线性材料属性和设备复杂性是推动计算能力发展的两个重要因素。对电力变压器设计的深入认识使得我们在满足计算量限制的情况下进行极为精确的仿真。

电力变压器肩负着一项重要任务：必须在发电厂到终消费者的传输途中上下调节电压。在理想情况下，变压器的效率达到100%，但在现实中，每台变压器都会产生损耗。一般情况下，变压器的负载损耗由三部分组成：电阻损耗和涡流损耗（出现在绕组和引线中）以及杂散损耗（暴露在漏磁场中金属部件的损耗），例如变压器油箱、铁心夹紧件和变压器油箱屏蔽结构。这种不可避免的磁通泄漏不仅代表着能量损失，还会导致局部过热，从而缩短变压器的寿命。

虽然电阻损耗和涡流损耗可以通过二维仿真进行精确计算，但是绕组外部的杂散损耗计算是一个复杂的三维问题，必须有合适的变压器模型才能解决。该模型可以通过基于有限元方法的仿真软件建立。有限元分析（FEA）是一种复杂的工具，广泛用于解决电磁场、热效应等引发的工程问题。在有限元分析中，使用较小的网格可以得到更精确的结果，能够更好地解决问题，但同时也需要更高的计算能力。因此，必须在网格大小、模型详细程度、材料属性近似程度、计算时间以及结果精度之间找到一个平衡点。

在带有适当边界条件的有限空间区域中，仿真软件可以通过麦克斯韦方程组来解算基本的电磁场情况（激磁电流和模型边界条件）。仿真的其余部分取决于用户输入的数据。这正是ABB长期的变压器设计经验开花结果之处。

杂散损耗仿真

杂散损耗及其空间分布的精确计算需要为结构材料本身的损耗机理建立适当的数值模型。

板体金属材料中的损耗明显，叠片式金属材料亦是如此，如硅钢片，其原因在于杂散漏磁场在叠片平面未被抑制。除涡流损耗之外，铁磁材料的磁滞损耗是因为交变磁场诱发材料微小能量消耗的结果。此外，为了精确计算总损耗分布，模型还必须考虑到磁化曲线的非线性。这一非线性不仅影响着磁场分布，还间接影响着涡流分布。硅钢片的高度各向异性还带来了其他的复杂因素，这一点也必须高度重视。

趋肤效应也会使问题进一步复杂化：金属物体表面附近感应生成的涡流具有屏蔽作用，导致磁场和导体内部电流呈指数衰减。随着导电性和磁导率的增加，趋肤效应越来越明显，这意味着在相关典型材料中，特有的衰减长度（趋肤深度）不超过1毫米。其结果是使损耗都集中在这薄薄的一层上。乍看下，似乎必须将趋肤深度分解为多个有限元以计算损耗——这一过程的三维仿真需要极高性能的计算机来完成。所幸，可以利用表面阻抗边界条件（SIBC）大幅减少计算量，降低对计算机性能的要求。此外，要将金属物体内部从计算域中删除，通过分析指定表面阻抗代替导体表面流动的涡流影响——即表面电场和磁场的比率。

SIBC方法的有效性可以通过举例证明。以一块无限长的钢板为例，其横截面为12 × 50毫米，50赫兹下的趋肤深度为1毫米，可以在磁场中以不同的旋转角度进行仿真。总涡流损耗可以通过钢板全体积解析（整个计算域需要 4220 个网格，见图1a）和一个SIBC方案（需要1674个网格，见1b）进行计算。SIBC方案所得出的损耗值几乎与全体积解析完全一样，如图2所示。即使如此小的物体，SIBC的相对好处明显，而当物体尺寸增加时，相对好处也将随之增加。

ABB正在对计算变压器结构材料中损耗分布的各种数字技术进行评估和改进，目的是为三维仿真找出精确的模型，同时保证合理的计算量。通过对测试对象的详细仿真计算，并结合精心控制的试验测量来实现这一目标。随后，在这些结果的基础上对非线性材料和/或叠片式金属材料的各种参考损耗的建模技术进行评估。

油浸式电力变压器的电磁仿真

自耦变压器的绕组（此处使用ABB 243兆伏安、512.5/230/13.8千伏单相变压器举例说明），相较于自身物理尺寸会产生大量的杂散磁通。这意味着潜在的高杂散损耗并且变压器油箱中可能存在过热点。不过，可以适当的借助仿真和设计来制造变压器油箱屏蔽结构，避免过热点。在该例中，安装在箱壁上的磁分路被用作蔽结构（磁屏蔽）。磁屏蔽为铁磁材料，用于引导来自变压器绕组两端的漏磁通。

图1 在 45 度的旋转角度下，钢板的损耗分布

图2 损耗仿真图

三维有限元分析模型包含磁仿真和损耗计算所需的所有重要结构件（见图3）。由于实际变压器的复杂性，引入了一些简化过程，使计算量更易于管理。

图3 电力变压器仿真模型的几何形状（不包含电力变压器油箱）

在初始设计中，变压器油箱磁屏蔽相隔太远，而且高度不够，与变压器油箱的其他区域相比，直接面对器身的损耗密度明显增高（见图4a）。从图中可以清楚地看到受磁场影响的关键区域——主要位于磁屏蔽的上方和下方。在多个设计迭代过程中，增加磁屏蔽的高度和数量、同时缩小了间距，使变压器油箱所产生的损耗减少近40%。通过仿真，可以获得所需的性能，同时尽可能减少多余的材料，从而节省相关成本（见图4b ）。

干式变压器的电磁仿真

与油浸式电力变压器和配电变压器不同的是，干式变压器的器身（包括铁心、绕组、结构部件和引线等）不浸泡在绝缘液体中。器身电气绝缘和冷却均依靠周围空气。干式变压器技术改进和产品开发过程采用了不同类型的先进数值仿真，这些仿真通常基于有限元分析。

TriDry——采用三角形卷铁心的干式变压器

与采用平面型铁心的传统变压器不同，TriDry 的三个心柱具有完全相同的磁场条件（见图5）。铁心内部磁场的数值仿真因模型中材料的各向异性而特别具有挑战，铁心材料平行于叠片方向磁导率很高，而垂直于叠片方向磁导率很低。通过这些仿真，可以对TriDry变压器的磁性能有基本的了解。另外，还可以通过数值仿真对TriDry变压器的杂散漏磁场强度进行详细分析。这一切都是确保合规性所必不可少的——例如在瑞士，一些敏感地区安装的变压器实施微斯特拉RMS限制。

图4 变压器油箱磁屏蔽布置对变压器油箱损耗分布的影响

图5 TriDry 变压器及其铁心磁通密度分布仿真

图6 12 脉冲变压器的电磁仿真；箔式绕组端部的损耗分布

干式变速驱动变压器

变速驱动变压器用于交流电机供电。这些与变压器相关的电力电子器件会产生电流谐波，导致绕组损耗增加，并且有可能导致过热点。因此，在构建仿真模型时必须考虑到这一问题。绕组损耗仿真的典型例子如图6所示。该图以一个带有两个次级绕组的12脉冲变压器为例，显示了两个轴向布置的低压箔式绕组端部的损耗分布。与五次谐波频率相比，在基波频率下，沿导体表面的绕组损耗分布更为均匀。这是因为两个次级绕组的电流相位均处于基波频率下，主要产生轴向磁通。在五次谐波频率下时，两个次级绕组电流相位相反，产生径向磁通，使损耗集中在上绕组下端和下绕组上端的区域内。这会导致过热，需要对设计进行相应修改。