變壓器引線及繞組復(fù)合漏磁場(chǎng)引起的局部過(guò)熱研究

周訓(xùn)通，胥建文，孫大偉，呂 斌，臧 英

（山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

變壓器引線及繞組復(fù)合漏磁場(chǎng)引起的局部過(guò)熱研究

周訓(xùn)通，胥建文，孫大偉，呂 斌，臧 英

（山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

采用有限元仿真方法，以一臺(tái)存在局部過(guò)熱的電力變壓器為例建立電磁場(chǎng)仿真模型，研究大電流引線及繞組在結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)，對(duì)局部過(guò)熱進(jìn)行分析，提出防止局部過(guò)熱的改進(jìn)措施，并將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

變壓器；引線；繞組；漏磁場(chǎng)；局部過(guò)熱；仿真

0 引言

隨著我國(guó)電力事業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)組容量不斷增大，相應(yīng)單臺(tái)電力變壓器的容量也隨之增加，引線電流不斷增大，有的甚至高達(dá)幾萬(wàn)安培，引線和繞組中的電流會(huì)在臨近的導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生很強(qiáng)的漏磁場(chǎng)和分布不均的雜散損耗［1］。如果變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、屏蔽不完善，就會(huì)因結(jié)構(gòu)件渦流損耗過(guò)大而導(dǎo)致局部溫升過(guò)高，使變壓器油劣化，產(chǎn)生氣體，進(jìn)而出現(xiàn)運(yùn)行事故。針對(duì)變壓器漏磁導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)件局部過(guò)熱的研究，許多文獻(xiàn)中只是單獨(dú)對(duì)繞組或引線漏磁進(jìn)行了分析［2-4］，單獨(dú)進(jìn)行繞組或引線的漏磁場(chǎng)分析計(jì)算是不完整的，兩者需要同時(shí)考慮才能體現(xiàn)完整的電磁場(chǎng)。

對(duì)于變壓器漏磁導(dǎo)致的金屬構(gòu)件局部過(guò)熱的研究分析，需要進(jìn)行復(fù)雜的電磁場(chǎng)計(jì)算，從公開發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，這類問(wèn)題的研究的方法主要有試驗(yàn)法、解析法和計(jì)算機(jī)仿真法。試驗(yàn)法一般成本較高，而且需要較長(zhǎng)的時(shí)間；解析法往往只能在大量簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上得到應(yīng)用，并不能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，誤差較大，效率較低；近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的快速發(fā)展，使得使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電磁仿真計(jì)算成為一種趨勢(shì)，仿真計(jì)算不但可以降低成本，節(jié)省大量時(shí)間，還可以更為方便直接地得到相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果。

變壓器中磁場(chǎng)主要由繞組和引線電流產(chǎn)生。繞組電流產(chǎn)生的磁勢(shì)可分解為建立主磁場(chǎng)的磁勢(shì)和建立漏磁場(chǎng)的磁勢(shì)，同時(shí)引線電流也會(huì)產(chǎn)生漏磁勢(shì)。繞組電流和引線電流產(chǎn)生的漏磁通是互相影響，互相交鏈的［5］，兩者需要同時(shí)考慮才能模擬出較為真實(shí)的電磁場(chǎng)，尤其是引線空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)更需要綜合考慮，而變壓器漏磁場(chǎng)仿真的難點(diǎn)也正在于繞組和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的引線同時(shí)勵(lì)磁時(shí)的復(fù)雜漏磁場(chǎng)分析計(jì)算。針對(duì)這種情況，以一臺(tái)出現(xiàn)局部過(guò)熱的SFZ-120000／230變壓器為例，采用有限元法進(jìn)行繞組和引線復(fù)合漏磁場(chǎng)仿真研究，提出改進(jìn)措施，從而避免在后續(xù)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件局部過(guò)熱的情況。避免結(jié)構(gòu)件局部過(guò)熱對(duì)于保證變壓器的安全可靠運(yùn)行，降低損耗，提高產(chǎn)品性能，對(duì)增強(qiáng)變壓器產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。

1 變壓器技術(shù)參數(shù)及模型建立

仿真采用加拿大Inforlytica公司的MagNet電磁仿真軟件，并參考TEAM Problem 21基準(zhǔn)模型的仿真比較經(jīng)驗(yàn)（如材料屬性、網(wǎng)格劃分和求解等）［6］。

1.1 電磁場(chǎng)求解原理

仿真計(jì)算采用基于T-Ω位組的三維求解算法，該算法特點(diǎn)是使用了基于1階到3階插值多項(xiàng)式的層疊元［1］。在該方法中，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，另一部分為在導(dǎo)體區(qū)將矢量場(chǎng)用矢量楞單元表示。對(duì)于導(dǎo)電部件，如母線和油箱等，求解為

式中：σ為材料的電導(dǎo)率；ε為材料介電常數(shù)；μ為材料的磁導(dǎo)率。

對(duì)于多匝線圈區(qū)域，假定線圈中的電流密度是均勻的，可得

式中：JS為線圈中電流密度。為了準(zhǔn)確計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度，三維模型線圈中電流密度可以被看作螺旋上升的螺線管內(nèi)的電流密度，磁場(chǎng)強(qiáng)度H為

通過(guò)迭代計(jì)算找出一個(gè)滿足式（4）的源場(chǎng)HS，并且標(biāo)量位φ用式（6）來(lái)求解。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)及模型

該出現(xiàn)局部過(guò)熱的變壓器為油浸式、三相、雙繞組、有載調(diào)壓變壓器，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

三維模型由鐵心、線圈、夾件、拉板、夾件磁屏蔽（板式）、油箱磁屏蔽、低壓引線、升高座、油箱組成，外部建立空氣包，如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)件材質(zhì)如表2所示。同時(shí)對(duì)模型做假設(shè)［7］：由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且有低壓引線，建立整體的1／2模型（低壓側(cè)）；部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如去除倒角、螺栓、小結(jié)構(gòu)件等；計(jì)算時(shí)忽略繞組環(huán)流和高次諧波等的影響；總安匝之和近似為零。

表1 變壓器主要參數(shù)

圖1 油浸式電力變壓器模型

表2 材料屬性參數(shù)表

在變壓器油箱出現(xiàn)局部過(guò)熱情況后，將低壓升高座下部箱蓋割去680mm×3 200mm矩形區(qū)域，補(bǔ)焊相同尺寸的低磁鋼板，并對(duì)原設(shè)計(jì)和采取改進(jìn)措施后兩種情況的模型分別進(jìn)行了仿真計(jì)算。

1.3 繞組及低壓引線

變壓器線圈排列順序由內(nèi)到外分別為低壓線圈、高壓線圈、調(diào)壓線圈，其中高壓線圈、低壓線圈為端部出線，調(diào)壓線圈為正反調(diào)結(jié)構(gòu)，聯(lián)結(jié)組別YNd1，如圖2所示。低壓線圈為單螺旋式，幅向4根并繞。繞組按實(shí)際電抗高度和輻向尺寸建模，并在模型中分別賦安匝和電流，三相正弦波電流相位相差 120°。

低壓繞組端部和底部出線按幅向并排的4根導(dǎo)線建模，并與銅排連接，上下銅排之間通過(guò)銅管連接，變壓器外部三相套管出線處端部使用銅排連接，繞組和低壓引線的賦值平面與空氣包邊界重合，在模型中分別賦安匝和電流，三相正弦波電流相位相差 120°。

低壓繞組端部和底部出線按幅向并排的4根導(dǎo)線建模，并與銅排連接，上下銅排之間通過(guò)銅管連接，變壓器外部三相套管出線處端部使用銅排連接，繞組和低壓引線的賦值平面與空氣包邊界重合，在求解域內(nèi)形成閉合回路，如圖3所示。在MagNet軟件中，采用場(chǎng)路耦合方式進(jìn)行求解，低壓引線連接電路設(shè)置如圖4所示，引線中賦正弦低壓電流峰值，三相引線電流相差120°。在MagNet軟件中為繞組和引線賦電流和匝數(shù)值時(shí)要保證安匝平衡，并保證繞組的電抗高度，否則計(jì)算將不收斂。

圖2 繞組連接圖

圖3 變壓器低壓引線連接

圖4 引線勵(lì)磁線圈電路設(shè)置

2 計(jì)算分析

在完成電路設(shè)置并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分后，可對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算采用MagNet中的三維時(shí)諧場(chǎng)求解器對(duì)模型進(jìn)行非線性求解，通過(guò)對(duì)求解出的結(jié)構(gòu)件渦流、損耗密度和磁密進(jìn)行分析研究［8］。

2.1 電流及渦流分布

圖5為某時(shí)刻引線及繞組電流的方向，引線中局部電流較大且不均勻是由于引線模型為單根通排或銅管，電密較大且考慮了集膚效應(yīng)、渦流效應(yīng)；而繞組模型中電流分布均勻，是由于繞組設(shè)置為多根并聯(lián)，仿真計(jì)算時(shí)忽略繞組的集膚效應(yīng)、渦流效應(yīng)。

圖5 低壓引線及各繞組電流方向

圖6 為某時(shí)刻油箱及升高座渦流分布，此時(shí)b、c相引線電流較大。由圖6（a）可以看出，由于改進(jìn)前低壓升高座b、c兩相間油箱蓋為普通導(dǎo)磁鋼，此處感應(yīng)出的渦流較大，較為集中；圖6（b）改進(jìn)后，低壓升高座下部箱蓋局部更改為低磁鋼板，其導(dǎo)磁性較弱，漏磁感應(yīng)出的渦流較小，分布較為均勻；低壓升高座材質(zhì)為低磁鋼，感應(yīng)出的渦流也較小。

圖6 渦流分布

2.2 大電流低壓引線對(duì)結(jié)構(gòu)件漏磁場(chǎng)的影響

為了驗(yàn)證大電流引線對(duì)附近結(jié)構(gòu)件漏磁場(chǎng)的影響，進(jìn)一步進(jìn)行了忽略低壓大電流引線只保留繞組勵(lì)磁模型的計(jì)算，并與本文中引線、繞組同時(shí)勵(lì)磁的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖7為某時(shí)刻漏磁矢量圖（B相繞組中心剖面），可以看出只有繞組勵(lì)磁時(shí)，油箱等結(jié)構(gòu)件磁密相對(duì)較小且無(wú)集中現(xiàn)象；圖8可以看出當(dāng)存在低壓大電流引線勵(lì)磁時(shí)，油箱和油箱磁屏蔽磁密急劇增大且出現(xiàn)了集中，這是因?yàn)榇藭r(shí)低壓引線中電流較大，離箱蓋較為接近，箱蓋材質(zhì)為普通碳素鋼，具有較好的導(dǎo)磁性，對(duì)磁力線產(chǎn)生了較強(qiáng)的吸引作用，從而導(dǎo)致漏磁較為集中，可見(jiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮低壓大電流引線產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)對(duì)周圍導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)件的影響。

圖7 磁密矢量分布（無(wú)引線勵(lì)磁）

圖8 磁密矢量分布（有引線勵(lì)磁）

圖9 表明當(dāng)某時(shí)刻（正弦波電流）無(wú)低壓引線計(jì)算時(shí)（只有繞組勵(lì)磁），磁屏蔽中漏磁通較為均勻且方向大體一致，而當(dāng)?shù)蛪阂€和繞組同時(shí)勵(lì)磁時(shí)，低壓引線附近漏磁通變大，根據(jù)右手定則產(chǎn)生了較大的橫向、縱向漏磁分量，使磁屏蔽中的磁力線方向發(fā)生了改變，如圖10所示，由此可以看出低引線中的大電流使臨近結(jié)構(gòu)件中的漏磁通走向更為復(fù)雜且更為集中。

圖9 某時(shí)刻油箱磁屏蔽磁密矢量分布（無(wú)引線勵(lì)磁）

圖10 某時(shí)刻磁密矢量分布（有引線勵(lì)磁）

2.3 損耗密度及磁密

通過(guò)最大損耗密度和磁密值作為是否存在局部過(guò)熱的依據(jù)，改進(jìn)前和改進(jìn)后兩種模型的損耗密度和磁密分布如圖11~12所示，渦流損耗密度和磁密較大區(qū)域分布在箱蓋低壓升高座兩相之間處，最大處位于油箱兩相間升高座起臺(tái)與油箱開孔貼合處邊沿附近，這是因?yàn)橛拖漤敳可咦噜弮砷_孔處銅排中通有相差120°的正弦電流，兩相電流產(chǎn)生的漏磁通以及繞組產(chǎn)生的漏磁通相互疊加，使相鄰的兩開孔間油箱蓋板感應(yīng)出的渦流較大，且由于開孔邊沿處的集膚效應(yīng)較為明顯，導(dǎo)致圖11（a）所示處損耗密度較大，產(chǎn)生局部過(guò)熱。

圖11 損耗密度分布云圖（隱藏升高座）

圖12 磁密分布云圖

通過(guò)Probe Field Values工具提取計(jì)算結(jié)果，匯總為圖13和圖14。由圖13可知原始模型中油箱局部最大損耗密度為4 460kW／m3，遠(yuǎn)大于改進(jìn)后的損耗密度149kW／m3；由圖14也可以看出原始模型中油箱最大磁密1.8T大于改進(jìn)后最大磁密1.14T，其他結(jié)構(gòu)件無(wú)局部過(guò)熱情況。通過(guò)與前期產(chǎn)品（合格產(chǎn)品以及存在過(guò)熱產(chǎn)品）仿真驗(yàn)證結(jié)果值進(jìn)行橫向比較可以得知原始模型油箱箱蓋處確實(shí)存在局部過(guò)熱，而改進(jìn)后的模型無(wú)局部過(guò)熱。

圖13 原始模型與改進(jìn)后模型最大磁密對(duì)比

圖14 原始模型與改進(jìn)后模型最大損耗密度對(duì)比

3 溫升試驗(yàn)

該臺(tái)變壓器改進(jìn)前和改進(jìn)后分別進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，并通過(guò)紅外測(cè)溫儀對(duì)外部油箱進(jìn)行測(cè)溫，如圖15（a）所示，改進(jìn)前箱蓋低壓升高座兩相間溫度較高，局部最高溫度為163℃，位于低壓升高座起臺(tái)與油箱箱蓋開孔接合處，與圖11（a）的最大損耗密度與圖 12（a）最大磁密的所在位置基本吻合；圖 15（b）為改進(jìn)后實(shí)測(cè)溫度分布，局部最高溫度89.3℃，無(wú)局部過(guò)熱。

圖15 油箱熱成像溫度分布

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)一臺(tái)出現(xiàn)局部過(guò)熱的變壓器，建立了包含繞組和引線勵(lì)磁的完整漏磁場(chǎng)模型，進(jìn)行了漏磁場(chǎng)仿真計(jì)算，并對(duì)低壓引線中的大電流在附件結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的漏磁進(jìn)行了對(duì)比分析和研究，計(jì)算了各結(jié)構(gòu)件的損耗密度和磁密值，得到了局部過(guò)熱位置；提出了改進(jìn)措施方案，并對(duì)改進(jìn)后的方案也進(jìn)行了漏磁場(chǎng)仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明改進(jìn)后無(wú)局部過(guò)熱，通過(guò)兩種方案的仿真計(jì)算結(jié)果與溫升試驗(yàn)紅外測(cè)溫實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文中仿真方法和計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，通過(guò)使用本文中方法對(duì)產(chǎn)品的仿真計(jì)算可以有效地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，尤其是容量大、引線電流大的變壓器以及變電站中電流較大設(shè)備的設(shè)計(jì)，防止結(jié)構(gòu)件局部過(guò)熱的發(fā)生。

［1］ 程志光.電氣工程電磁熱場(chǎng)模擬與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］ 耿榮林，李洪友，牛春芳.變壓器三相載流引線引起的渦流損耗及局部過(guò)熱的工程分析［J］.變壓器，2007，44（12）：17-19.

［3］ 王建民，景崇友，張文峰，等.大型變壓器三維渦流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)件雜散損耗的工程研究［J］.變壓器，2012，49（2）：28-32.

［4］ 楊夢(mèng)瀅，謝德馨，康雅華.基于通用軟件ANSYS的電力變壓器升高座三維磁場(chǎng)分析［J］.變壓器，2011，48（6）：25-29.

［5］ 劉傳彝.電力變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算方法與實(shí)踐［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［6］ 張俊杰，劉東升，張喜樂(lè)，等.考慮低壓大電流引線的特大型發(fā)電機(jī)變壓器漏磁場(chǎng)仿真［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（S2）：157-161.

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［8］ SIPPOLA M，SEPPONEN RE.Accurate prediction of high frequency power-transformer losses and temperaturerise ［J］.IEEE Trans.Power Elect.，2002，17（5）：835-847.

Partial Overheat Caused by Composite Leakage Magnetic Field of Leads and Coils in Transformers

ZHOU Xuntong，XU Jianwen，SUN Dawei，LV Bin，ZANG Ying
（Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250001，China）

By the method of finite element simulation，electromagnetic field simulation model of a power transformer with the malfunction of partial overheat was built.The relatively complete and real electromagnetic field was simulated.Leakage magnetic field in the structural components caused by the heavy current lead and coils was researched.Partial overheat was analyzed and diagnosed.The improvement measure to prevent partial overheat was proposed.The results of the simulation are compared with the measured values，which verified the accuracy of the simulation.

transformer；leads；coils；leakage magnetic field；partial overheat；simulation

TM41

：A

：1007－9904（2017）07－0033－06

2017-02-19

周訓(xùn)通（1986），男，工程師，從事電磁場(chǎng)理論及仿真研究與變壓器設(shè)計(jì)工作；

胥建文（1975），男，高級(jí)工程師，從事變壓器仿真研究及管理工作；

孫大偉（1983），男，工程師，從事變壓器研發(fā)工作；

呂 斌（1981），男，工程師，從事變壓器設(shè)計(jì)工作；

臧 英（1983），女，高級(jí)工程師，從事變壓器仿真研究工作。