高阻抗变压器漏磁场分析与磁分路应用分析

徐方

摘 要：随着电力系统的完善，为了保证变压器的运行安全性，人们对变压器的抗短路性能提出更高要求。据统计，一些老旧变压器很容易出现故障导致短路，近几年由于电力系统短路造成变压器出现事故，占总事故的40 %，占事故的总容量的27.4 %左右。该文介绍了降低杂散损耗的措施，分析了油箱、夾件采取磁分路结构的变压器涡流场数值，对磁分路综合效果进行评估。

关键词：高阻抗变压器；漏磁场；磁分路

中图分类号：TM40 文献标志码：A

在电力系统中使用高阻抗变压器，发生短路事故后通过变压器和电力设备的短路电流小，降低了电流热效应，不仅能提高电网的可靠性，还能降低电气设备的开断容量。此外，使用高阻抗变压器后可不使用限流电抗器，从而降低建设成本。

1 降低杂散损耗的措施

高阻抗变压器的阻抗值高，必须要有较多的漏磁通、一次和二次绕组交链。由于容量增大，运行期间就会产生杂散损耗。基于此，降低杂散损耗的措施如下：使用层压木板代替钢压板；对夹件进行分段处理，每一段之间处于绝缘状态；减小夹件厚度，使用框架式夹件。油箱、夹件使用低磁材料，但缺点是价格高、焊接性能差，多数厂家仍然使用普通钢板。油箱、夹件采取电屏蔽措施将铜板安装在油箱内壁、上下压板。因为铜的导电性能好，遇到交变磁场会感应出交变电流，用来抵消部分交变磁场，避免漏磁场完全进入油箱和夹件。采用磁分路技术，由于硅钢片的导磁性能好、单位损耗低，将磁分路置于合适位置可以减少漏磁通总量进入油箱和夹件。

2 油箱采取磁分路结构的变压器涡流数值分析

选择1台高阻抗变压器，型号为SSZ11-180000/220，阻抗为54 %、14 %、38 %，分为高对中、高对低、中对低3种运行模式。其中，低压绕组的电压、电流为10.5 kV、2 857.1 A；中压绕组为121 kV、858.9 A；高压绕组为230 kV、451.8 A。

2.1 无磁分路的变压器三维电磁场

三维电磁场的模型构件包括铁心、夹件、拉板、绕组、油箱及变压器油等。其中，夹件、箱体具有导电性和导磁性，依据集肤深度计算公式，可得集肤深度在1 mm以内，必须准确计算该深度内的涡流场。首先对结构件表层1 mm进行建模，经网格离散后，促使该深度内有多层节点，见表1。

利用ANSYS软件，向涡流场施加激励载荷，将箱外表面作为磁力线平行边界，模型区域横截面作为对称边界，即可得到各个节点的场量分布情况。结果显示，靠近铁心部位的油箱侧壁，其涡流损耗要高于远离旁轭部位的侧壁损耗。高对中额定运行的杂散损耗约为93 100 W，油箱杂散损耗约为51 000 W，占比54.8 %；其中箱壁杂散损耗约为29 100 W，占油箱杂散损耗的大部分，占比达到57.1 %。此外，油箱壁厚度、绕组和箱壁距离、油箱形状等均会影响油箱的杂散损耗。考虑到损耗幅值较大，如果不采取降损措施油箱壁温度就会明显升高，会导致油箱壁局部变色，油中氢气、总烃的增长速度加快。

2.2 有磁分路时变压器三维电磁场

该文以变压器高对低额定运行为例，分析三维电磁场的特征。在上节油箱安装磁分路，置于长轴侧；变压器铁芯采用三相五柱结构，磁分路长度、厚度、数量等均可以根据实际情况进行调整，经网格剖分后施加载荷边界、边界条件，分析不同工况下磁分路变化对油箱漏磁分布的影响。

结果显示，有磁分路后油箱壁上的涡流减小，漏磁集中区域面积小，进入油箱内部的法向磁感应强度降低。调整磁分路的参数如长度、宽度、厚度后可得到不同涡流密度分布图。利用ANSYS软件分析后可知，磁分路的长度影响大，宽度、厚度的影响达到一定数值后不再变化。

3 夹件采取磁分路结构的变压器涡流场数值分析

设置夹件磁分路，可将绕组端部的漏磁通拉直，经铁心形成闭合回路，从而减少漏磁总量进入夹件、油箱、拉板等部位。以220 kV的三相五柱式变压器为例，比较夹件有磁分路、无磁分路时的漏磁场特征。

3.1 三维涡流场分析

对磁分路的几何结构参数进行分析，可知结构参数、位置参数对涡流总损耗的影响，从而确定工程应用时的参数变化范围，为变压器的优化设计提供支持。假设磁分路的参数如下：a为30 mm、b为30 mm、c为60 mm、d为100 mm、l为3 285 mm，此时夹件表面上的磁感应强度减小32 %，涡流密度最大值减小45 %，如图1所示。

3.2 涡流损耗变化

其他参数保持一定时，随着参数a增大，结构件的涡流总损耗先减后增，参数a的最佳取值是120 mm，随着参数a继续增大，结构件的涡流总损耗相应增加；当磁分路底面和夹件底面处于同一高度时，即b=0，此时涡流总损耗为最小值，随着高度增加，结构件的涡流总损耗相应减小且，两者的变化幅度一致，高度最佳取值范围是60 mm～120 mm，随着宽度增加，结构件的涡流总损耗相应减小且两者的变化幅度保持一致，宽度最佳取值范围是60 mm～80 mm。随着长度增加，结构件的涡流总损耗先增后减，一旦长度达到夹件长度80 %，涡流总损耗就不会变化，因此长度的最佳取值是夹件长度的80 %。

4 结语

高阻抗变压器在使用期间，降低杂散损耗能提高运行安全性，实现降本增效的目标。该文建立三维电磁场的模型，针对无磁分路、有磁分路的变压器三维电磁场进行分析比较，结果显示使用磁分路后杂散损耗明显降低，且绕组的阻抗越大，杂散损耗降低率越大，希望为实际应用提供经验。

参考文献

[1]王勃，井永腾，李颖，等.基于能量法高精度求解变压器短路阻抗的方法[J].电器工业，2016（10）：75-78.