基于有限元法的油浸式变压器磁场分布仿真分析

2019-11-11张森姚毅杰张益伟梅雨菲刘建婷

科技创新与应用 2019年28期

张森姚毅杰张益伟梅雨菲刘建婷

摘要：作为电力系统中的关键设备，油浸式变压器的应用也愈加广泛。其运行状态直接关系到电网的稳定运行，这也对其性能和质量提出了更高的要求。文章以实际油浸式电力变压器为例，建立三维仿真模型。通过采用有限元仿真软件，对比分析在不同电压等级下模型的磁场分布情况，对进一步研究漏磁场和变压器优化设计及早期故障检测与诊断提供一定的参考依据。

关键词：油浸式变压器;磁场分布;优化设计;雷击过电压

中图分类号：TM411 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）28-0018-03

Abstract： As the key equipment in power system， oil-immersed transformer is more and more widely used. Its running state is directly related to the stable operation of the power grid， which also puts forward higher requirements for its performance and quality. In this paper， taking the actual oil-immersed power transformer as an example， a three-dimensional simulation model is established. Using the finite element simulation software， the magnetic field distribution of the model under different voltage levels is compared and analyzed， which provides a certain reference basis for the further study of leakage magnetic field and transformer optimization design and early fault detection and diagnosis.

Keywords： oil-immersed transformer; magnetic field distribution; optimal design; lightning overvoltage

引言

目前，電网的容量在不断增大，电力变压器也在向大容量、特高压方向不断发展。这使得变压器绝缘材料要承受更大的电场强度，绕组中漏磁场增大，涡流损耗及其他损耗等也跟着增大，导致变压器的温升更为严重，加剧绕组变形等。因此，必须充分考虑变压器绝缘、损耗和温度等问题。所以关于这些方面的研究也受到越来越多的重视[1-3]。在变压器这种发展趋势下，这就必须对油浸式电力变压器物理场进行仿真分析。通过研究和分析电气设备的磁场分布情况，有助于对其进行节能降损和过热控制，为工程实践提供参考，这对电气设备的安全使用和运行维护也具有重要作用[4]。

文献[4]通过建立二维模型对比分析了在长期工作电压、雷电冲击电压和操作过电压三种过电压形式下的电场分布情况。文献[5]仅利用有限元软件对干式变压器的损耗与温升进行了分析。文献[6]从不同负载工况角度对10kV三相油浸式变压器进行了仿真。文献[7]为了更准确地研究油浸式变压器温度场分布，考虑磁场损耗分布不均匀性和温度对媒质物性参数的影响，提出一种基于非平均热源的多物理场耦合计算方法。

油浸式电力变压器在长期运行过程中要经受三种电压的考验，即长期工作电压、雷击过电压和内部过电压。本文以110kV实际油浸式电力变压器为例，根据变压器的结构特点、主要技术参数、以及合理的简化和假设等，建立了三维仿真模型。通过Maxwell仿真软件，对比分析在长期工作电压（110kV）、操作过电压（185kV）和雷击过电压（450kV）三种不同电压等级下模型的磁场强度（H）和磁感应强度（B）的分布情况，总结出磁场分布规律，对变压器优化设计和早期故障检测与诊断提供一定的参考依据。

1 油浸式电力变压器三维仿真模型

本文选用的变压器为110/10kV，额定容量为50MVA的三相油浸式变压器。短路损耗为30.1kW，负载损耗为180.1kW。根据《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》等行业标准，铁芯的磁通密度为Bm=1.75T。

由于变压器内部几何构造复杂，为了计算简便，在满足计算机的工作限度内使复杂问题简单化，可忽略铁芯绕组以外流场区域的漏磁场对其造成的影响，因此在建立模型时对油浸式电力变压器作以下几点假设[8-9]：

（1）近似认为变压器结构件的材料均匀、各向同性;（2）场域中的场量随时间作正弦变化;（3）变压器内部绕组中心处连线纵向轴面前后对称;（4）忽略拉板和夹件结构。上述假设是由于ANSYS软件与三维模型集成时的条件局限性所决定的，可能会对计算结果的精度产生一些影响，但不影响场分布的总体趋势和结果分析。

电力变压器内部铁芯承载主要部分的磁场，为了降低铁芯损耗，通常采用0.35mm厚的冷轧硅钢片叠压制成。由于铁芯的材料是非线性的，开始段为线性的，随着电流或磁场强度H的增大，磁感强度B将饱和。变压器设计中，要求B工作在线性部分。绕组由铜线圈制成，属于变压器电路部分。采用ANSYS软件中的Maxwell模块剖分后的模型如图1所示。

2 三种电压形势下变压器磁场分布

本课题研究的电力变压器的交变电流可高达1400A左右，其运行时所产生的交变磁场与损耗不容忽视。交变磁场是引起电流损耗的重要因素。以下仿真均取A相峰值时刻为例。

2.1 三种电压形势下磁场强度（H）的分布图

从图3可以看出，长期工作电压和操作过电压情况下磁场强度最大值点在铁芯中部以及铁芯横向与纵向交汇处。雷击过电压情况下磁场强度最大值出现在绕组上，幅值上远超前两者，绕组的磁场强度决定了整体的磁场强度。

2.2 三种电压形势下铁芯磁感应强度（B）的分布图

磁感应强度B是描述磁场强弱和方向的物理量，即磁通密度。磁感应强度与磁场强度的区别在于它是描述两点之间的作用力关系。本文变压器内部铁芯作为磁介质，因磁化而产生的磁场在内时，用磁感应强度B表示。

从图4可以看出铁芯磁感應强度分布情况和磁场强度分布情况相似，三种电压情况下最大值点均在铁芯中部以及铁芯横向与纵向交汇处。磁感应强度由几何中心向四周逐渐递减，四角位置磁感应强度最弱。长期工作电压情况下磁感应强度最大为1.71T，操作过电压为1.75T，雷击过电压情况下为2.0T，结合磁场强度分布，此时B将饱和，工作在非线性部分。多次雷击会对变压器绝缘造成影响，甚至会毁坏变压器。

3 结束语

本文通过三维有限元法对三相油浸式电力变压器分别在长期工作电压、操作过电压和雷击过电压三种电压形式下的磁场分布进行了对比分析，仿真结果表明磁场分布与铁磁材料？滋与H关系曲线相符合。所建立的三维模型，不仅可以为变压器的优化设计提供理论依据，同时对进一步研究漏磁场和变压器早期故障检测与诊断提供一定的参考依据，对保证产品质量具有重要意义。

参考文献：

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[4]庄少丰.基于Maxwell的油浸式电力变压器物理场的仿真分析及应用研究[D].福州大学，2011.

[5]许晖，尹忠东.基于有限元法的干式变压器损耗与温升分析[J].科技创新与应用，2014（18）：53.

[6]谢道伟.油浸式三相电力变压器电磁场及温度场的瞬态仿真分析[D].吉林大学，2015.

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