張森 姚毅杰 張益?zhèn)? 梅雨菲 劉建婷

摘 ?要：作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，油浸式變壓器的應(yīng)用也愈加廣泛。其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這也對(duì)其性能和質(zhì)量提出了更高的要求。文章以實(shí)際油浸式電力變壓器為例，建立三維仿真模型。通過采用有限元仿真軟件，對(duì)比分析在不同電壓等級(jí)下模型的磁場(chǎng)分布情況，對(duì)進(jìn)一步研究漏磁場(chǎng)和變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)及早期故障檢測(cè)與診斷提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油浸式變壓器;磁場(chǎng)分布;優(yōu)化設(shè)計(jì);雷擊過電壓

中圖分類號(hào)：TM411 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0018-03

Abstract： As the key equipment in power system， oil-immersed transformer is more and more widely used. Its running state is directly related to the stable operation of the power grid， which also puts forward higher requirements for its performance and quality. In this paper， taking the actual oil-immersed power transformer as an example， a three-dimensional simulation model is established. Using the finite element simulation software， the magnetic field distribution of the model under different voltage levels is compared and analyzed， which provides a certain reference basis for the further study of leakage magnetic field and transformer optimization design and early fault detection and diagnosis.

Keywords： oil-immersed transformer; magnetic field distribution; optimal design; lightning overvoltage

引言

目前，電網(wǎng)的容量在不斷增大，電力變壓器也在向大容量、特高壓方向不斷發(fā)展。這使得變壓器絕緣材料要承受更大的電場(chǎng)強(qiáng)度，繞組中漏磁場(chǎng)增大，渦流損耗及其他損耗等也跟著增大，導(dǎo)致變壓器的溫升更為嚴(yán)重，加劇繞組變形等。因此，必須充分考慮變壓器絕緣、損耗和溫度等問題。所以關(guān)于這些方面的研究也受到越來越多的重視[1-3]。在變壓器這種發(fā)展趨勢(shì)下，這就必須對(duì)油浸式電力變壓器物理場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。通過研究和分析電氣設(shè)備的磁場(chǎng)分布情況，有助于對(duì)其進(jìn)行節(jié)能降損和過熱控制，為工程實(shí)踐提供參考，這對(duì)電氣設(shè)備的安全使用和運(yùn)行維護(hù)也具有重要作用[4]。

文獻(xiàn)[4]通過建立二維模型對(duì)比分析了在長(zhǎng)期工作電壓、雷電沖擊電壓和操作過電壓三種過電壓形式下的電場(chǎng)分布情況。文獻(xiàn)[5]僅利用有限元軟件對(duì)干式變壓器的損耗與溫升進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[6]從不同負(fù)載工況角度對(duì)10kV三相油浸式變壓器進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)[7]為了更準(zhǔn)確地研究油浸式變壓器溫度場(chǎng)分布，考慮磁場(chǎng)損耗分布不均勻性和溫度對(duì)媒質(zhì)物性參數(shù)的影響，提出一種基于非平均熱源的多物理場(chǎng)耦合計(jì)算方法。

油浸式電力變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中要經(jīng)受三種電壓的考驗(yàn)，即長(zhǎng)期工作電壓、雷擊過電壓和內(nèi)部過電壓。本文以110kV實(shí)際油浸式電力變壓器為例，根據(jù)變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主要技術(shù)參數(shù)、以及合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)等，建立了三維仿真模型。通過Maxwell仿真軟件，對(duì)比分析在長(zhǎng)期工作電壓（110kV）、操作過電壓（185kV）和雷擊過電壓（450kV）三種不同電壓等級(jí)下模型的磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）和磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）的分布情況，總結(jié)出磁場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)和早期故障檢測(cè)與診斷提供一定的參考依據(jù)。

1 油浸式電力變壓器三維仿真模型

本文選用的變壓器為110/10kV，額定容量為50MVA的三相油浸式變壓器。短路損耗為30.1kW，負(fù)載損耗為180.1kW。根據(jù)《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鐵芯的磁通密度為Bm=1.75T。

由于變壓器內(nèi)部幾何構(gòu)造復(fù)雜，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，在滿足計(jì)算機(jī)的工作限度內(nèi)使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，可忽略鐵芯繞組以外流場(chǎng)區(qū)域的漏磁場(chǎng)對(duì)其造成的影響，因此在建立模型時(shí)對(duì)油浸式電力變壓器作以下幾點(diǎn)假設(shè)[8-9]：

（1）近似認(rèn)為變壓器結(jié)構(gòu)件的材料均勻、各向同性;（2）場(chǎng)域中的場(chǎng)量隨時(shí)間作正弦變化;（3）變壓器內(nèi)部繞組中心處連線縱向軸面前后對(duì)稱;（4）忽略拉板和夾件結(jié)構(gòu)。上述假設(shè)是由于ANSYS軟件與三維模型集成時(shí)的條件局限性所決定的，可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度產(chǎn)生一些影響，但不影響場(chǎng)分布的總體趨勢(shì)和結(jié)果分析。

電力變壓器內(nèi)部鐵芯承載主要部分的磁場(chǎng)，為了降低鐵芯損耗，通常采用0.35mm厚的冷軋硅鋼片疊壓制成。由于鐵芯的材料是非線性的，開始段為線性的，隨著電流或磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增大，磁感強(qiáng)度B將飽和。變壓器設(shè)計(jì)中，要求B工作在線性部分。繞組由銅線圈制成，屬于變壓器電路部分。采用ANSYS軟件中的Maxwell模塊剖分后的模型如圖1所示。

2 三種電壓形勢(shì)下變壓器磁場(chǎng)分布

本課題研究的電力變壓器的交變電流可高達(dá)1400A左右，其運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)與損耗不容忽視。交變磁場(chǎng)是引起電流損耗的重要因素。以下仿真均取A相峰值時(shí)刻為例。

2.1 三種電壓形勢(shì)下磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）的分布圖

從圖3可以看出，長(zhǎng)期工作電壓和操作過電壓情況下磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值點(diǎn)在鐵芯中部以及鐵芯橫向與縱向交匯處。雷擊過電壓情況下磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在繞組上，幅值上遠(yuǎn)超前兩者，繞組的磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了整體的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.2 三種電壓形勢(shì)下鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）的分布圖

磁感應(yīng)強(qiáng)度B是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，即磁通密度。磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)別在于它是描述兩點(diǎn)之間的作用力關(guān)系。本文變壓器內(nèi)部鐵芯作為磁介質(zhì)，因磁化而產(chǎn)生的磁場(chǎng)在內(nèi)時(shí)，用磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示。

從圖4可以看出鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況相似，三種電壓情況下最大值點(diǎn)均在鐵芯中部以及鐵芯橫向與縱向交匯處。磁感應(yīng)強(qiáng)度由幾何中心向四周逐漸遞減，四角位置磁感應(yīng)強(qiáng)度最弱。長(zhǎng)期工作電壓情況下磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為1.71T，操作過電壓為1.75T，雷擊過電壓情況下為2.0T，結(jié)合磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，此時(shí)B將飽和，工作在非線性部分。多次雷擊會(huì)對(duì)變壓器絕緣造成影響，甚至?xí)淖儔浩鳌?/p>

3 結(jié)束語

本文通過三維有限元法對(duì)三相油浸式電力變壓器分別在長(zhǎng)期工作電壓、操作過電壓和雷擊過電壓三種電壓形式下的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明磁場(chǎng)分布與鐵磁材料？滋與H關(guān)系曲線相符合。所建立的三維模型，不僅可以為變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)進(jìn)一步研究漏磁場(chǎng)和變壓器早期故障檢測(cè)與診斷提供一定的參考依據(jù)，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

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