簡析直流偏磁條件下變壓器鐵心振動問題

馬嬙 劉飛達(dá)

摘要：本文對直流偏磁條件下變壓器鐵心情況進(jìn)行了簡析，提出基于商用軟件分析的方法，服務(wù)于今后的研究與設(shè)計。

關(guān)鍵詞：直流偏磁? 變壓器? 鐵心

1 引言

因直流輸電網(wǎng)絡(luò)、地磁變化等各種原因，變壓器激磁電流中會出現(xiàn)大小不同的直流分量，也就是說鐵心中存在了直流磁通，繼而會產(chǎn)生大量諧波分量，從而使變壓器空載損耗增加，伴隨著鐵心的振動噪聲增大，這種現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可能引起系統(tǒng)保護(hù)開關(guān)的誤動作，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來極大的隱患。

隨著人們對環(huán)境意識的提高和環(huán)保部門對各類噪聲的限制，特別是近年來一些變電站有時需要建于商業(yè)區(qū)和居民區(qū)內(nèi)，對變壓器噪聲設(shè)計提出了更嚴(yán)格的要求。變壓器的振動噪聲加劇，不但給周圍居住人的生活帶來不便，同時也極大地影響了人們的日常生活和身心健康。鐵芯是變壓器主要的噪聲源，所以研究直流偏磁條件下鐵芯的振動噪聲對減小變壓的噪聲有著重要的意義，可以減小對周圍居住人和環(huán)境的影響，同時也提高了資源的利用率，降低環(huán)境的污染，既符合生產(chǎn)實際的需要，也符合當(dāng)今社會所提倡的節(jié)能減排、低碳環(huán)保的主題。

2 直流偏磁條件下變壓器鐵心情況

當(dāng)變壓器繞組中流過直流電流特別是超過其耐受程度的直流電流時，變壓器鐵心磁通易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象且諧波分量增加，磁滯伸縮加劇，會使變壓器的損耗增加、繞組溫升增加，引起局部發(fā)熱，噪聲增大，振動位移加大。變壓器的振動噪聲過大可能導(dǎo)致鐵芯松動、繞組變形、溫升增大，并可能造成絕緣強(qiáng)度的進(jìn)一步降低，嚴(yán)重影響其正常運(yùn)行，甚至有可能引起變壓器的損壞，同時也會影響交流電網(wǎng)的正常運(yùn)行。電力變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行可靠性顯得越發(fā)重要。

變壓器直流偏磁現(xiàn)象是指由于某種原因?qū)е伦儔浩麒F心中出現(xiàn)了直流磁通，使得變壓器鐵心正負(fù)半周不對稱飽和以及由此引起的一系列電磁效應(yīng)。變壓器在直流偏磁條件下直流和交流磁通共同作用，形成偏磁時鐵心的總磁通。

鐵磁材料的磁性能，如材料的磁化曲線、損耗曲線、磁滯回線等是進(jìn)行電磁場分析必不可少的基本材料參數(shù)。通常情況下，生產(chǎn)設(shè)計和工程計算用到的材料參數(shù)是各硅鋼片材料制造廠提供的性能參數(shù)，材料的測量的條件是在工頻條件下且沒有考慮直流偏磁磁場對硅鋼片的作用，準(zhǔn)確獲取直流偏磁條件下變壓器鐵心電磁性能參數(shù)數(shù)據(jù)是計算分析偏磁磁場的關(guān)鍵問題[1]。可以采用和實際變壓器發(fā)生直流偏磁時相同的交直流串聯(lián)激勵的方式，試驗與仿真相結(jié)合，確定直流偏磁條件下鐵心材料的磁性能曲線。

3基于商用軟件分析方法

關(guān)于直流偏磁下變壓器鐵心振動噪聲問題的研究，實際上是一個多物理場耦合計算問題。其中涉及的內(nèi)容主要包括：首先應(yīng)用場路耦合方法計算電磁場中的直流偏磁問題，應(yīng)用外電路的加載方式計算磁場模型，建立交直流疊加的電壓源激勵源，實現(xiàn)電路和電磁場的耦合;在結(jié)構(gòu)力場中將電磁場中的計算結(jié)果作為激勵和結(jié)構(gòu)力場變量進(jìn)行耦合;通過進(jìn)一步的計算結(jié)果可以將結(jié)構(gòu)力場中的計算結(jié)果作為載荷和聲場的變量進(jìn)行耦合，從而實現(xiàn)了直流偏磁條件下變壓器振動噪聲的仿真計算。

COMSOL軟件可以實現(xiàn)上述多次耦合場的計算。該軟件是以有限元方法為基礎(chǔ)，將整個區(qū)域分割成許多個小單元，將求解邊界問題的原理應(yīng)用于這些小單元中進(jìn)行求解，然后把各個小單元的結(jié)果匯總起來得到整個區(qū)域的解。COMSOL中的每個模塊都有各自的偏微分方程，將偏微分方程聯(lián)立成方程組進(jìn)行求解來實現(xiàn)各個物理現(xiàn)象的仿真。用戶可以根據(jù)問題需要選擇所需要的模塊，快速實現(xiàn)多物理場的耦合分析，其實質(zhì)就是求解偏微分方程組。COMSOL中的基本求解步驟是：選擇所需模塊方程及確定偏微分方程，創(chuàng)建或?qū)胛锢砟Ｐ?，設(shè)定材料屬性，選擇適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，進(jìn)行網(wǎng)格剖分，選擇求解器和進(jìn)行求解。

4 結(jié)論與展望

從上述分析可以看出，從工程實用的角度出發(fā)，提出了分析直流偏磁條件下鐵心振動問題的方法，為將來產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料選型，損耗計算提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙志剛.電力變壓器直流偏磁問題的工程模擬[M].河北工業(yè)大學(xué).

[2] 劉傳彝.電力變壓器設(shè)計計算方法與實踐[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[3] 李曉萍，文習(xí)山，藍(lán)磊，等.單相變壓器直流偏磁實驗與仿真[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（9）： 33-40.