楊帆 沈陽工學院信息與控制學院

螺旋式繞組的電磁場分析與計算

楊帆 沈陽工學院信息與控制學院

本文通過簡化螺旋式繞組電力變壓器的模型，對其電磁場進行分析與計算，得出了影響螺旋式繞組周向磁場分量主要因素。

1 引言

在大型電力變壓器的設計中，螺旋式繞組作為一種典型的結(jié)構(gòu)形式普遍應用于低壓繞組，通常電磁場工作人員在對該類繞組進行電磁場計算的時候，一般都是將螺旋式繞組簡化成一個圓筒的結(jié)構(gòu)，而且在某些情況下這種簡化確實可行。但是由于螺旋式繞組存在螺旋角，使得通過繞組的電流分成了兩個分量：軸向電流分量Ia和周向電流分量Ic。而且，隨著電壓等級的提高，低壓電流值的逐漸增大，軸向電流分量的影響則越來越不容忽視。

2 建模

由于螺旋式繞組的單層高度比較小，同時大型電力變壓器的鐵心高度又比較高，因此在對高壓繞組建模時只用一個圓筒進行替代；在對低壓繞組建模時，必須要考慮軸向電流分量的影響，因此取低壓繞組的輻向?qū)挾茸鳛槟Ｐ椭芯€餅的寬，高度則取每匝繞組的總高度作為模型中繞組的高，同時設置繞組引線；由于螺旋式繞組產(chǎn)生周向分量，為了避免其他兩相對磁場的影響，因此本文只建立單相模型，如圖2所示，其大致結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。在保證高低壓安匝平衡和電抗高度不變的情況下，對低壓繞組進行電流加載。

圖1螺旋式繞組的軸向電流分量和周向電流分量

圖2模型的建立

3 磁場分布

螺旋式繞組的軸向電流分量產(chǎn)生了周向磁場分量，該磁場分量是一個與繞組同心的環(huán)形磁場，其方向通常與螺旋升角和總電流的方向有光，而對于餅式繞組來說，該分量幾乎為零，如圖3所示。

圖3 周向磁場分量在低壓繞組中的分布

由表1所示，當匝數(shù)為16，電流為17．6kA時，其磁密最值為0．105T，當匝數(shù)為32，電流為8．8kA時其磁密為0．0027T，因此無法說明是電流對磁密最值的影響大還是匝數(shù)對磁密的影響大。

表1 不同匝數(shù)和電流下低壓繞組周向磁密最值

現(xiàn)今電力變壓器普遍采用高壓繞組為餅式的繞線形式，而螺旋式繞組的軸向磁場分量又是一個與鐵心同圓心的環(huán)形磁場，即方向與高壓繞組的電流激勵方向平行，不會產(chǎn)生電磁力；同時，雖然周向磁場與高壓繞組截面垂直，但是餅式繞組多采用絞線電流的結(jié)構(gòu)形式，使得其在繞組截面產(chǎn)生渦流損耗的數(shù)值大大降低，因此本文對高壓繞組的周向磁場分布不做分析。

4 結(jié)論

①螺旋式繞組除了產(chǎn)生軸向磁場和輻向磁場以外，還產(chǎn)生周向磁場，該部分磁場的大小除了受到總電流值的影響以外，主要是由繞組的螺旋升角的大小決定；

②在計算大電流大螺旋升角的螺旋式繞組電磁力時，除了要考慮軸向力和周向力以外，還要考慮由周向磁場引起的輻向力的變化。

[1]路長柏，郭振巖．電力變壓器理論與計算[M]．沈陽：遼寧科學技術(shù)出版社，2007.

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

[3]謝毓城．電力變壓器手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

孫昕（通訊作者），沈陽工學院信息與控制學院，副教授，研究方向：電氣工程及其自動化。