大型变压器结构件损耗及局部过热仿真研究

金 顺（常州东芝变压器有限公司,江苏 常州 213000）



大型变压器结构件损耗及局部过热仿真研究

金 顺
（常州东芝变压器有限公司,江苏 常州 213000）

摘 要：在电工设备运行中，其杂散损耗问题对于数值仿真以及实验研究都可以说是难度较高的一项问题，对于大型电力变压器来说，由于其容量的增加，涡流损耗以及漏磁场也将随之增加，并可能因此导致发生结构的局部过热现象，需要做好研究处理。

关键词：大型变压器；结构件损耗；局部过热；仿真研究

1 引言

近年来，我国的电力事业获得了较为迅速的发展，在提升社会电力供应效果的同时对硬件也具有了更高的要求：变压器结构更加复杂、其电压等级以及容量不断提高，在该种情况下，由漏磁通引起的构件局部过热问题愈发严重。对于变压器设备来说，如果其内部漏磁屏蔽结构存在着不合理的现象，在漏磁集中的情况下，则会因热点温升超标以及结构件涡流损耗过高而导致变压器运行事故的出现。对此，对不同类型金属构件的涡流损耗进行计算以及对金属构件涡流场进行分析则成为了非常重要的一项内容。而为了其在实际应用中发生局部过热现象，则需要在做好发热源确定的基础上做好损耗计算工作，在获得准确损耗数据的同时以科学方式的应用实现构件涡流损耗以及漏磁量的控制。在本文中，将以720MVA/500kV三相发电机位置，通过有限元软件的应用对其结构件损耗、结构件热点温升以及产品漏磁场等进行仿真研究，以此为变压器的稳定、安全运行提供支持与保障。

2 变压器磁场仿真

要想更为准确的实现结构件的温升计算，做好结构件涡流损耗的计算可以说是非常重要的一项基础。在结构件损耗方面，可能对其产生影响的因素包括有材料构件的精确剖分、绕组励磁的准确加载以及仿真模型的科学建立等。

2.1 产品基本参数

在本研究中，计算对象为一台三相发电机变压产品，为三相五柱带铁心结构，为高低压双绕组变压器。在实际计算中，需要进行计算的场域包括有：绕组、夹件、磁屏蔽、变压器铁心以及油箱等等，而根据对称性方面的考虑，我们对其进行了适当的简化，对1/2结构模型进行了建立。

2.2 结构件网格剖分

在变压器结构件存在的杂散损耗中，其包括有拉板、屏蔽、夹件以及磁滞损耗以及涡流损耗等等。而对于不同的结构件，其在电磁特性方面也存在着一定的不同，并因此在投入深度方面具有着较大的差异。根据透入深度的差异，则会使不同结构件在涡流密度以及磁通密度的分布规律方面存在着较大的差异，对此，就需要在三维涡流场有限元分析工作开展的基础上以不同方式的应用对其损耗进行计算。从上表中，我们可以看到，地磁钢板透入深度值要大于其余部件的厚度，对此，在变压器产品中，则不需要以分层的方式对其进行剖分。而对于普通钢材料来说，由于其所具有的透入深度值较小，对此，则需要对其进行分层剖分处理。

2.3 绕组励磁加载

在对电流励磁进行加载时，需要重点注意的一点的是避免电流在求解区域停止，在以整个绕组方式进行求解时，电力在会在相关区域当中实现闭合，即对1/2模型进行应用，当以该方式进行求解时，绕组端面则需要在边界面位置进行建立，并根据安匝分区的不同对其进行加载处理。

2.4 漏磁场计算

在该项内容中，我们通过Magnet软件的应用进行了仿真计算，在油箱没有进行分层时，其损耗值为150.01kW，在分二层的情况下，其损耗值为220.1 kW，在分三层的情况下，其损耗值为225.03 kW，在分四层时，其损耗值位置225.2 kW。从上表数据的分析以及对比可以了解到，当没有对钢油箱进行分层处理时，所获得的涡流损耗较大，而要想保证以更为准确的方式进行计算，则需要对其进行分层处理，此时其在损耗方面则不再存在较为明显的增加。

3 结构件温度场计算

在该计算内容中，是在通过Magnet结构件软件对涡流损耗进行计算的基础上，将其作为温度场计算励磁进行加载，在完成加载之后，再对结构件材料所具有的热属性进行附加，包括有比热容以及热导率等等。在完成这部分属性的附加处理之后，则会根据变压器在散热方面存在的差异以及不同位置所存在油流情况的不同在结构表面对笔筒的对流系数进行附加，之后再进行构件的温度计算。

在本研究中，分别对低压出线上无铜屏蔽以及有铜屏蔽情况下的热点温升进行计算。经过计算，在较大电流引线的影响下，对于无铜屏蔽情况，其热点温升145K，不能够对要求进行满足，而通过箱沿边位置对铜屏蔽的粘贴，则能够实现对热点温升的有效降低，处于48K，能够对设计要求进行满足。

4 仿真结果

经过仿真可以得到：油箱损耗的损耗值为214.1（kW），夹件损耗的损耗值为89.3（kW），拉板损耗的损耗值为40.1（kW），磁屏蔽损耗的损耗值为77.5（kW）。对于该损耗来说，即由负载试验损耗同绕组电阻损耗、环流损耗以及涡流损耗相减得出，经计算其损耗误差为2.6%。部件方面，油箱温升计算值为54（K），温升试验值为53（K），低压升高座温升计算值为51（K），温升试验值为53（K），试验值同实际结构温升值间的吻合情况较好，即表明该方式在准确性以及正确性方面具有着较好的表现。

5 结论

在上文中，我们以实例的方式对大型变压器结构件损耗及局部过热仿真进行了一定的研究，并获得有以下结论：第一，通过Magnet仿真软件的应用对结构件的涡流损耗以及绕组漏磁场进行了计算，通过绕组励磁的准确加载以及网格的合理剖分，使结构件试验值同损耗计算值间具有着较为吻合的特征，该结果表明了，在本研究中所提出的三维有限元仿真方式具有着较好的可行性以及准确性，能够较好的对大型变压器的结构件损耗以及三维漏磁场等值进行计算；第二，通过磁热耦合方式的应用对温升情况进行计算，并通过布置屏蔽方式的合理应用对局部过热情况进行了有效的避免。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.227

作者简介：金顺（1983-），男，江苏常州人，本科，主要从事220kv 及500kv变压器的结构设计。