大型油浸式变压器箱体漏磁场屏蔽研究

2020-06-22陶国彬王宏建侯文硕

化工自动化及仪表 2020年3期

陶国彬王宏建侯文硕王天李豪

（东北石油大学电气信息工程学院）

我国大力发展特高压输电工程，它具有输电容量大、送电距离长、走廊效率高、联网能力强、线路损耗低和工程投资省六大优势［1］。截至2019年6月，特高压输电工程已建成“九交十直”。大力建设特高压电网使得大型油浸式变压器［2］制造业的发展得到了极大的促进，近十年来变压器产量和销售收入不断上升，市场发展良好［3］。

随着输电网电压等级和电网容量的不断增加，大型油浸式变压器的电压等级和容量也随之增加。工程上指出，当变压器的容量为电网总容量的6～10倍时，电网才能维持正常工作［4］。随着变压器电压等级和容量的升高，在制作过程中其体积会增加，同时产生的漏磁场也随之增强，但是主磁通增加的速率小于漏磁通增加的速率［5～7］。因此，迫切需要对大型油浸式变压器漏磁场的分布规律进行深入的理论分析，借此减小漏磁通的磁场强度，削弱漏磁通对变压器的影响。

Ansoft Maxwell有限元电磁场软件避免了复杂的公式推导，只需要建立模型并对它进行设置就能取得较为精确的解，因此在电子、电力、变压器、分析力学、电磁场、热场及电机等领域中得到了广泛应用［8］。在此，笔者采用Ansoft Maxwell有限元电磁场软件来分析和求解大型油浸式变压器箱体漏磁场问题，同时提出一种屏蔽结构，并确定其屏蔽参数。

1 建立变压器模型

1.1 技术参数

以国家电网公司35～220kV设备招标时中标的变压器为设计依托对象，其技术参数如下：

规格型号 OSFPS7-120000/220

额定容量 120 000/120 000/60 000kVA

额定电压 220±2×2.5%/121/38.5±5%kV

主机外形尺寸（L×B×H） 8030mm×4790mm×7690mm

联结组别号 YN，a0，yn0

空载损耗 99kW

负载损耗 346kW

空载电流 0.49%

短路阻抗 13%

冷却方式 ONAF

器身重量 66.5t

相数三相

频率 50Hz

总重 147t

1.2 结构参数

变压器结构参数是建立模型的重中之重，具体如下：

油箱长、宽、高 7 850、2 560、3 780mm

油箱壁厚 30mm

铁芯直径 890mm

铁芯窗高 2 060mm

芯柱中心距 1 500mm

上下铁轭高 460mm

压环内径 1 540mm

压环外径 1 640mm

夹件长、宽、高 5 300、50、280mm

底座长、宽、高 1 430、445、270mm

1.3 材料参数

变压器的材料参数具体见表1。

表1 变压器材料参数

1.4 二维变压器三视图

根据以上参数搭建变压器仿真模型，绘制出二维变压器的三视图（图1），为了更好地呈现变压器的俯视图，图1c中省略了上铁轭。

图1 二维变压器三视图

2 二维变压器漏磁通仿真

对变压器模型加载电流后进行检测和求解，得到二维状态下的变压器漏磁通磁感线分布，如图2所示。从磁感线的疏密程度可以看出，漏磁通大部分都是经过铁芯和油箱闭合，因此会在上面产生大量的涡流损耗。

由于铁芯采用的是硅钢片，所以经由它闭合产生的漏磁通损耗低［10］。提取油箱磁感线分布如图3所示，可以发现经由油箱闭合使得油箱内表面的磁通过大，在变压器箱壁造成很大的涡流损耗，为此笔者将从5个方面探究采取不同屏蔽结构来减小油箱漏磁通的磁场强度。

图2 变压器漏磁通磁感线分布

图3 油箱磁感线分布

2.1 箱顶屏蔽长度

根据油箱顶部情况选取5个特征长度（表2）来探究该结构对漏磁通磁场强度的影响。由于篇幅所限，这里只列出特征长度1、3、5的仿真结果（图4）。最终得到特征长度1～5的漏磁通磁场强度分别为10.242 0、9.366 3、9.085 7、9.090 8、9.097 1（×10-3Wb/m）。可以看出，随着箱顶屏蔽长度的增加，漏磁通磁场强度也随之减小，当减小到一定程度时，漏磁通磁场强度几乎不发生变化。因此，将箱顶屏蔽长度确定为特征长度3。

2.2 箱顶屏蔽厚度

表2 变压器箱顶屏蔽长度选取情况

图4 不同箱顶屏蔽长度下的仿真结果

根据大型油浸式变压器油箱顶部情况选取8个厚度（2、4、6、8、10、20、30、50mm）来探究该结构对漏磁通磁场强度的影响。由于篇幅所限，这里只列出4、10、30、50mm的仿真结果（图5）。8种箱顶屏蔽厚度下的漏磁通磁场强度分别为9.066 0、9.085 7、9.104 0、9.119 1、9.133 9、9.225 7、9.306 4、9.474 8（×10-3Wb/m）。可以看出，箱顶屏蔽厚度与整个漏磁场的漏磁通磁场强度大致成正比，考虑到变压器器件的制造工艺与其所能承受的机械强度，最后确定箱顶屏蔽厚度为4mm。

图5 不同箱顶屏蔽厚度下的仿真结果

2.3 箱壁屏蔽高度

根据箱壁情况选取4个特征高度（表3）来探究该结构对漏磁通磁场强度的影响。由于篇幅所限，这里只列出特征高度1和4的仿真结果（图6）。 4种箱壁屏蔽高度对应的漏磁通磁场强度分别为1.944 9、1.952 3、1.955 5、1.959 4（×10-3Wb/m）。可以看出，无论箱壁屏蔽高度如何变化，该结构的漏磁通磁场强度几乎不发生变化，因此将箱壁屏蔽高度确定为特征高度1，即与铁芯等高。

表3 变压器箱壁屏蔽高度选取情况

图6 不同箱壁屏蔽高度下的仿真结果

2.4 箱壁屏蔽与箱壁距离

箱壁屏蔽与箱壁之间的距离分别设置为4、6、8、10、20、30、50、100、200mm 以及特征距离A（箱壁到压环1/4的距离）、特征距离B（箱壁到压环1/2的距离）、特征距离C（箱壁到压环3/4距离）。由于篇幅所限，这里只列出箱壁屏蔽与箱壁之间的距离为6、10、50、200mm以及特征距离B、特征距离C的仿真结果（图7）。12种箱壁屏蔽与箱壁距离对应的磁场强度分别为1.940 7、1.941 2、1.941 9、1.942 1、1.944 0、1.946 8、1.951 1、1.963 3、1.989 2、2.025 7、2.214 0、2.613 7（×10-3Wb/m）。可以看出，随着箱壁屏蔽与箱壁距离的不断增加，前期漏磁通磁场强度几乎不发生变化，后期随着距离的增加，漏磁通磁场强度变化明显。考虑到变压器油流分布与运动情况，当变压器油流动时，如果箱壁屏蔽与箱壁相距过近，那么相互摩擦产生的电流会危害到变压器的正常运行，因此选择箱壁屏蔽与箱壁距离为10mm。