大型电力变压器漏磁场和杂散损耗的研究

2018-09-07李俊卿田小静

电力科学与工程 2018年8期

李俊卿，田小静,2

(1. 华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003； 2. 保定天威保变电气股份有限公司，河北保定 071000)

0 引言

随着变压器容量的增大，其漏磁场在金属结构件中产生的杂散损耗随之增加，不仅降低了变压器的效率，而且容易使结构件形成局部过热点，给变压器的正常运行带来隐患，影响变压器的使用寿命。为了减小杂散损耗带来的局部过热问题，一种有效的措施是在变压器的结构件上加装磁屏蔽板，从而减少进入金属结构件的漏磁通[1]。另外，油箱结构不同，也会影响进入油箱的漏磁通及其产生的杂散损耗。因此，准确评估变压器的漏磁场及其产生的杂散损耗对保证变压器的安全运行具有重要意义。

目前，专家学者们对变压器结构件中的杂散损耗做了大量研究[2～13]。关于变压器的漏磁场及杂散损耗，常常采用二维或者三维有限元方法进行仿真计算[2]。由于变压器结构的复杂性，为了提高结构件中杂散损耗计算的精度，有必要建立变压器的三维有限元模型[3～13]。不同文献由于研究的侧重点不同，建立模型时采用的简化措施、考虑的结构件及施加的激励也不同。因此，建立几何模型时，应该针对所研究的问题，选取合适的计算区域、进行适当的简化，以提高计算精度、减少计算时间。文献[2]研究了不平衡电压作用下配电变压器结构件中的漏磁场和杂散损耗,因此，建立了整个变压器的三维模型。而研究三相对称电压作用下的变压器问题时，通常只需要取变压器的一半[3]或者八分之一[4]作为求解区域。从施加的激励来看，文献[2～5]研究的是工频电力变压器的漏磁场和结构件损耗，所以施加的激励只考虑了基波电流的影响。而文献[6～7]研究的是高压直流换流变压器的杂散损耗，所以在计算金属结构件中的漏磁场和杂散损耗时，除了基波电流外、还考虑了高次谐波电流的作用。

本文以一台SFP-410000/220大型三相电力变压器为例，建立了该变压器的三维有限元计算模型，计算了变压器的漏磁场及损耗密度分布，分析了油箱箱盖折弯角度不同对结构件中杂散损耗的影响，确定了变压器的最终设计方案，并进行了实验验证。

1 产品设计及其数学模型

1.1 产品设计

该三相电力变压器型号为SFP-410000/220。用户提出的技术指标为：额定容量410 MVA，额定电压 236±2×2.50%/16 kV，额定电流1003/14 794.6 A，频率50 Hz，短路阻抗24.00±5%，连接组别YNd11，冷却方式为ODAF。

通过初步设计，确定该产品采用三相五柱式铁心结构，铁心采用30ZH120硅钢片，主拉板、拉带、低压侧升高座及其周围箱盖采用20Mn23Al低磁钢板，旁拉板、腹板、撑板、垫脚及油箱采用Q235B普通钢板。通过加装磁屏蔽和电屏蔽来降低杂散损耗引起的局部过热。低压侧油箱箱盖的折弯角度为30°；高压侧油箱箱盖的折弯角度为35°，高压侧出线套管采用尾部均压球直径较小的穿缆式套管。

在后期校验中，根据实际需要，高压侧套管需要更换为尾部均压球直径较大的导杆式套管。由于高压套管尾部带电体的直径较大，为了满足绝缘距离的要求，需要加大高压侧套管升高座的直径。鉴于油箱箱盖的折弯角度既要满足绝缘距离的要求，同时还要满足局部过热的要求，因此拟将高压侧油箱箱盖的折弯角度由原来的35°调整为45°；另外，同类产品的短路阻抗一般为18%，而本产品要求为24%，短路阻抗的增加，也有可能带来变压器的局部过热。为了避免出现局部过热点，需要分析处在漏磁场严重部位的金属结构件的磁通密度和局部损耗密度。鉴于此，采用三维有限元方法仿真计算该变压器两种折弯角度下的漏磁场和杂散损耗，使设计方案能够满足用户要求。

1.2 数学模型

采用三维有限元方法计算变压器的漏磁场，进而求得结构件中的杂散损耗[14]。

本文采用MagNet软件计算变压器的漏磁场和损耗密度分布。为了节约计算时间和费用，建立几何模型时，进行了以下简化：

(1)考虑到变压器结构的对称性及所关心的问题，取变压器的一半作为求解区域。由于低压侧升高座部分的箱盖及高压侧升高座部分的箱盖折弯角度不同，分别建立包含高、低压侧升高座的二分之一模型。

(2)忽略磁屏蔽板之间的缝隙。

(3)高低压绕组分别简化成实体圆筒绕组，并忽略铁心中的油道。

建立的低压侧几何模型如图1所示。

图1 含低压升高座的变压器1/2模型

2 计算结果与分析

本文计算了油箱箱盖采用不同折弯角度时变压器的漏磁场及损耗分布，并给出了不同情况下变压器各部分的漏磁场及损耗密度分布云图。所研究的情况，包括以下3种：

(1)低压侧升高座部分的油箱采用30°折弯角的箱盖；

(2)高压侧升高座部分的油箱采用35°折弯角的箱盖；

(3)高压侧升高座部分的油箱采用45°折弯角的箱盖。

计算的工况为：高压侧绕组的分接头置于最小分接头处，高压绕组的匝数为365匝，流过电流为 1 055.8 A；低压绕组的匝数为45匝，流过电流为 8 541.7 A。限于篇幅，文中只给出了部分计算云图。

2.1 漏磁场计算结果及分析

低压侧油箱磁屏蔽及箱体处的磁场云图如图2所示；高压侧油箱箱盖采用35°折弯角时，油箱磁屏蔽及箱体处的磁通密度云图如图3所示。

图2 低压侧油箱的磁通密度云图

图3 高压侧油箱磁通密度云图(35°折弯角)

由计算得到的磁场分布云图可以得到以下结果：

(1)低压侧油箱壁磁屏蔽处的最大漏磁磁通密度为0.67 T；低压侧的油箱箱盖上，低磁钢板附近的普通钢板处的磁通密度较大，最大磁密为 0.6 T。

(2)高压侧油箱箱盖采用35°折弯角时，铁心下腹板磁屏蔽处的磁通密度最大值为0.68 T，铁心下夹件的肢板磁屏蔽处的磁通密度最大值为 1.23 T；油箱箱盖弯折处的磁通密度较大，最大值为0.5 T。

(3)高压侧油箱箱盖采用45°折弯角时，其磁通密度云图与采用35°折弯角时基本相同，折弯角度的不同主要影响的是箱盖处磁通密度的数值，故为了节约空间，没有给出其磁通密度云图。下腹板及肢板磁屏蔽处的最大磁密数值与采用 35°折弯角时相同，分别为0.68 T和1.23 T；油箱部分的漏磁场最大磁密与采用35°折弯角时略有不同，箱盖处的最大磁密为0.58 T，略高于35°折弯角度时的数值0.5 T。

通过计算结果的对比可以看到，高压侧油箱箱盖角度的增加主要影响了油箱的斜面和弯折处的磁通密度，使得该处的局部磁密增加，而各部件磁通密度的最大值均在允许范围以内。

2.2 杂散损耗的计算结果和分析

低压侧油箱箱盖的损耗密度如图4所示。高压侧油箱箱盖采用35°折弯角时，其损耗密度分布如图5所示。

图4 低压侧箱盖损耗密度云图

图5 高压侧油箱损耗密度云图(35°折弯角)

由计算得到的损耗密度分布云图可以得到以下结果：

(1)低压侧油箱箱盖的损耗密度分布不均匀，低压侧各个升高座之间的箱盖处的损耗密度较大，为450.23 kW/m3，略高于允许值。

(2)高压侧油箱箱盖采用35°折弯角时，铁心下拉带和主柱拉板上部边缘损耗密度较大，主柱拉板处的最大损耗密度为500.52 kW/m3，位于上部两侧的边缘处。在油箱磁屏蔽板上部箱盖弯折处损耗密度最大，为22.39 kW/m3。均在允许范围内。

(3)高压侧油箱箱盖采用45°折弯角时，磁屏蔽部分的损耗分布与35°折弯角时相同。油箱部分的损耗分布与35°折弯角相比，两种折弯角度下的损耗分布规律基本相同，只不过随着油箱折弯角度增加，最大损耗密度随之增大，不过，仍在允许范围内。

不同设计方案下，变压器各个部件的最大损耗密度如表1所示。

表1 各部件最大损耗密度比较 kW/m3

由表1可以看出，在下拉带、主柱拉板、低压引线附近箱盖损耗密度最大，略高于允许值400 kW/m3。由于这些部件所在的位置处，变压器油的流速较大，且这些部件的体积很小，产生的损耗不多，所以不会引起局部过热。另外，高压侧油箱箱盖的折弯角度采用35°和45°，两种方案相比，对最大损耗密度的影响，主要表现在油箱部分，高压侧油箱箱盖由35°箱盖改为45°箱盖后，箱盖最大损耗密度增加了约7 kW/m3，不过其最大值仍在允许范围内。按照箱盖弯折处体积折算，杂散损耗增加约1 kW，所以不会引起局部过热。这表明箱盖的折弯角度对杂散损耗有一定影响，但影响不大。