電力機(jī)車(chē)主變壓器磁屏蔽結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化

朱丹，遲青光，劉圳，王超

(1.中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 遼寧 大連 116022;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110870)*

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·研究簡(jiǎn)報(bào)·

電力機(jī)車(chē)主變壓器磁屏蔽結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化

朱丹1，遲青光1，劉圳1，王超2

(1.中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 遼寧 大連 116022;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110870)*

針對(duì)變壓器存在的局部漏磁場(chǎng)過(guò)大，導(dǎo)致在使用過(guò)程中容易造成溫升過(guò)高，最終影響變壓器安全可靠運(yùn)行的問(wèn)題，采用Magnet軟件對(duì)機(jī)車(chē)主變壓器進(jìn)行建模，對(duì)最高網(wǎng)側(cè)電壓31kV時(shí)的工況條件下變壓器漏磁場(chǎng)及渦流損耗進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證磁屏蔽結(jié)構(gòu)方案的可行性，并進(jìn)行優(yōu)化改造，從而減小了變壓器的漏磁損耗，提高了變壓器整體的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益.

Magnet軟件；主變壓器；漏磁場(chǎng)；磁屏蔽

0 引言

機(jī)車(chē)主變壓器作為電力機(jī)車(chē)車(chē)載牽引系統(tǒng)的核心裝備，承載著牽引供電的重要任務(wù).由于機(jī)車(chē)主變壓器是單相多繞組的結(jié)構(gòu)，因此其復(fù)合短路阻抗的計(jì)算一直是設(shè)計(jì)和制造人員最為關(guān)心的技術(shù)參數(shù)之一.同時(shí)變壓器的阻抗值要求越來(lái)越高，漏磁場(chǎng)分布復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大，其局部過(guò)熱和溫升的問(wèn)題也變得越來(lái)越突出.針對(duì)以上問(wèn)題，學(xué)者們通過(guò)對(duì)漏磁場(chǎng)分布的密集點(diǎn)進(jìn)行磁屏蔽處理來(lái)減小漏磁場(chǎng)從而減小渦流損耗,以提高變壓器整體的經(jīng)濟(jì)效益[1-2].

本文為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，給設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)，選用Magnet軟件采用基于T-Ω位組的三維求解算法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論分析.該算法的特點(diǎn)是采用了基于1階到3階插值多項(xiàng)式的層疊元.在T-Ω方法中磁場(chǎng)強(qiáng)度被描述為兩部分和的形式：一部分為標(biāo)量位的梯度，另一部分是在導(dǎo)體區(qū)將矢量場(chǎng)用矢量棱單元表示.因此，所求得的解矢量由兩部分組成：節(jié)點(diǎn)處的磁標(biāo)量位和矢量棱邊自由度.該方法由于在非導(dǎo)體區(qū)域采用標(biāo)量位求解，從而節(jié)省了計(jì)算機(jī)的內(nèi)存.另外，T-Ω法不會(huì)遇到其他算法中經(jīng)常遇到的結(jié)果的收斂性和不穩(wěn)定性問(wèn)題，可靠性相對(duì)比較高.

1 模型建立

針對(duì)主變壓器的對(duì)稱(chēng)性，同時(shí)為了減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，采用Magnet軟件建立1/2主變壓器的分析模型如圖1所示，模型中各部件的材料屬性如表1所示.從鐵心由內(nèi)向外依次為牽引繞組、高壓繞組、供電繞組和輔助繞組.其中高壓繞組8組并聯(lián)，所有低壓繞組各自獨(dú)立.為了得到精確地磁密及渦流損耗的分布結(jié)果，建立了油箱壁、夾件、壓梁和旁托架的物理模型，并采用具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性的四面體剖分法進(jìn)行有限元的計(jì)算.總剖分單元數(shù)為1943338，節(jié)點(diǎn)數(shù)為579322.

圖1 主變壓器漏磁場(chǎng)分析模型

結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率/(S·m-1)介電常數(shù)鐵心、磁屏蔽2.22×1061夾件1.39×1061油箱6.5×1061繞組5.7×1071變壓器油1×10-142.2絕緣材料1×10-183.5

2 數(shù)值分析

2.1 激勵(lì)加載

本文采用基于磁勢(shì)平衡的變壓器三維漏磁場(chǎng)分析方法[3]，在保證高壓側(cè)和低壓側(cè)安匝平衡的條件下，按照給定電流密度進(jìn)行激勵(lì)加載.各繞組的激勵(lì)加載情況如表2所示.

表2 各繞組激勵(lì)加載情況

2.2 求解器設(shè)置

對(duì)所建立的模型賦予材料屬性時(shí)，因?yàn)榇嬖诜蔷€性導(dǎo)磁材料，在Magnet軟件的求解器設(shè)置中求解器類(lèi)型選項(xiàng)要將參數(shù)設(shè)置為非線性，采用Newton-Raphson法，具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3 .

表3 求解器設(shè)置

3 漏磁場(chǎng)仿真分析結(jié)果

圖2所示是隱去磁屏蔽后主變壓器油箱箱體底面的漏磁分布.由仿真結(jié)果表明，變壓器在額定負(fù)載情況下，油箱磁密分布不均勻，油箱箱體底面磁密介于0.4～0.8 T.

圖3所示是隱去磁屏蔽的主變壓器油箱箱體底面的渦流密度分布.由仿真結(jié)果表明，變壓器在額定負(fù)載情況下，油箱渦流密度分布不均勻，因而導(dǎo)致油箱上發(fā)熱不均勻.

4 優(yōu)化方案

按照設(shè)計(jì)圖紙給出的各尺寸參數(shù)，建立帶有磁屏蔽的模型，圖4(a)為按照工程圖紙建立的油箱和磁屏蔽結(jié)構(gòu).磁屏蔽厚度為15 mm，距離油箱壁3 mm.根據(jù)油箱箱體底面的磁密云圖和渦流密度云圖，對(duì)磁屏蔽位置做出調(diào)整后的油箱和磁屏蔽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4(b).保持磁屏蔽厚度為15 mm，距離油箱壁3 mm.

圖4 磁屏蔽安放位置示意圖

以機(jī)車(chē)縱向中心線為中線線，靠近一端司機(jī)室的方向定義為前方，將油箱箱體分為前后左右四塊，其中左右兩側(cè)安放有磁屏蔽.損耗結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 磁屏蔽安放位置對(duì)損耗 W

由表4可見(jiàn)，磁屏蔽的安放明顯減少了油箱上的損耗，而且調(diào)整完磁屏蔽安放位置后，油箱上的損耗值進(jìn)一步減少.

在保證磁屏蔽厚度為15 mm的情況下，對(duì)圖4(b)中磁屏蔽的安放位置進(jìn)一步調(diào)整，調(diào)整磁屏蔽與油箱壁的距離分別為0、3和6 mm.損耗結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 磁屏蔽距離油箱壁的距離對(duì)損耗 W

可見(jiàn)，當(dāng)磁屏蔽距離油箱壁越近，油箱壁的損耗值就越小.

在原磁屏蔽安放位置的基礎(chǔ)上，保證磁屏蔽與油箱壁的距離為原距離3 mm不變的情況下，調(diào)整磁屏蔽厚度分別為10、13、15和18 mm，仿真結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 不同磁屏蔽厚度對(duì)油箱損耗 W

可見(jiàn)，當(dāng)磁屏蔽厚度為15 mm時(shí)，屏蔽效果最佳.對(duì)于磁屏蔽安放位置，可以按照?qǐng)D4進(jìn)行重新放置，保證原來(lái)厚度15 mm不變，盡量貼近油箱壁.

5 結(jié)論

本文通過(guò)Magnet軟件對(duì)設(shè)計(jì)的變壓器建模并進(jìn)行漏磁場(chǎng)的有限元分析.通過(guò)分析驗(yàn)證了方案的可行性.并根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)電力機(jī)車(chē)變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，更改了磁屏蔽結(jié)構(gòu).通過(guò)驗(yàn)證，磁屏蔽結(jié)構(gòu)的調(diào)整，有效的減小了變壓器的漏磁損耗，提高了變壓器的可靠性及經(jīng)濟(jì)效益.

[1]朱占新.謝德馨.張艷麗.大型電力變壓器三維漏磁場(chǎng)與結(jié)構(gòu)件損耗的時(shí)域分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012(9):156-160.

[2]趙志剛,程志光,劉福貴,等.基于漏磁通補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)磁鋼板直流偏磁雜散損耗特性模擬[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015(8) :38-44.

[3]謝德馨,朱占新,吳東陽(yáng),等.大規(guī)模工程渦流場(chǎng)有限元計(jì)算的困境與展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015(5):1250-1257.

1673-9590(2016)04-0118-03

2015-07-31

朱丹(1978-)，女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電力機(jī)車(chē)變壓器設(shè)計(jì)的研究E-mail:zhudan02@163.com.

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