基于b-h曲線的變壓器漏磁場(chǎng)及雜散損耗分析

基于b-h曲線的變壓器漏磁場(chǎng)及雜散損耗分析

0油壓安全性分析及應(yīng)用在高性能變量中，由于磁體泄漏，導(dǎo)致的無(wú)序破壞較大，并且可能會(huì)使組件和部件過(guò)載，從而影響變量的正常運(yùn)行。在大容量變壓器中,雜散損耗可以達(dá)到負(fù)載損耗的30%~40%,從而增加了變壓器負(fù)載損耗,降低了運(yùn)行效率。因此,準(zhǔn)確計(jì)算電力變壓器雜散損耗及損耗分布并采取合理有效的降低雜散損耗、防止局部過(guò)熱措施對(duì)電力變壓器設(shè)計(jì)非常必要。對(duì)于變壓器油箱或夾件而言,可以采用磁屏蔽或電屏蔽的方法來(lái)降低雜散損耗。目前,變壓器屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大多數(shù)源于多年的經(jīng)驗(yàn),很少定量、準(zhǔn)確分析采取屏蔽措施后結(jié)構(gòu)件損耗的降低程度以及空間渦流場(chǎng)的分布情況,這將會(huì)對(duì)新產(chǎn)品的開發(fā)帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。對(duì)變壓器漏磁場(chǎng)和雜散損耗問(wèn)題,文獻(xiàn)和計(jì)算變壓器油箱渦流損耗時(shí)采用了三維有限元分析方法,分析了磁屏蔽和電屏蔽等降低油箱渦流損耗的措施。文獻(xiàn)提出減少箱體渦流損耗的電磁屏蔽和磁屏蔽方法,應(yīng)用表面阻抗法分析屏蔽及箱體渦流損耗,討論屏蔽厚度對(duì)油箱渦流損耗的影響。以上文獻(xiàn)主要分析了當(dāng)油箱采用不同材料的屏蔽時(shí)油箱渦流損耗的變化情況,未分析屏蔽結(jié)構(gòu)型式等對(duì)油箱渦流損耗及其附近漏磁場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)分析電力變壓器漏磁場(chǎng)時(shí)采用了表面阻抗法,并對(duì)鐵芯拉板渦流損耗進(jìn)行了分析。本文針對(duì)大型電力變壓器雜散損耗問(wèn)題,以1臺(tái)高壓自耦變壓器為實(shí)例,采用三維非線性時(shí)諧場(chǎng)分析法研究了電力變壓器渦流問(wèn)題。為了確定渦流損耗集中部位,對(duì)結(jié)構(gòu)件渦流損耗進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算分析,給出幾種磁屏蔽結(jié)構(gòu),并對(duì)其屏蔽效果和結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行了分析。1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)模型以容量為700MVA、電壓等級(jí)為750kV的單相旁柱式自耦變壓器為研究對(duì)象,建立三維有限元計(jì)算模型。根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)對(duì)稱性采用實(shí)際模型的1/2進(jìn)行計(jì)算(如圖1)。圖中的L型磁屏蔽緊貼夾件表面,肺葉式磁屏蔽位于繞組主通道正上(或下)方,并鑲嵌在壓板之中,用于抑制繞組漏磁場(chǎng)進(jìn)入夾件和其他鐵磁部件。圖中的A柱和X柱上套有低壓繞組、中壓繞組和高壓繞組等3繞組。A柱和X柱之間由并聯(lián)方式相連。Y柱上的繞組為激磁繞組和調(diào)壓繞組。在本文中,夾件L型磁屏蔽和肺葉式磁屏蔽是被單獨(dú)使用的。油箱磁屏蔽為上下兩組由硅鋼片制成的屏蔽組成,分別位于繞組上、下端部附近,靠近油箱壁內(nèi)表面,防止漏磁場(chǎng)由繞組端部進(jìn)入油箱壁。分析變壓器三維渦流問(wèn)題時(shí),對(duì)模型進(jìn)行了如下假設(shè)與簡(jiǎn)化:1)根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性建立了自耦變壓器1/2計(jì)算模型。2)忽略鐵芯內(nèi)的渦流、繞組內(nèi)的環(huán)流及渦流,認(rèn)為繞組電流密度在導(dǎo)體內(nèi)均勻分布。3)忽略高次諧波,所有的場(chǎng)量均隨時(shí)間按正弦變化。4)忽略鐵磁材料的磁滯特性。在變壓器高-中-低額定工況下計(jì)算了漏磁場(chǎng)及雜散損耗。計(jì)算漏磁場(chǎng)及渦流損耗時(shí)考慮了油箱、鐵芯和磁屏蔽材料的非線性磁特性。對(duì)屏蔽材料采用“均勻化方法”,按各項(xiàng)異性材料處理,用電導(dǎo)率的各向異性模擬屏蔽的疊積效果。根據(jù)硅鋼片與空氣間磁感應(yīng)強(qiáng)度B,磁場(chǎng)強(qiáng)度H的連續(xù)性條件,沿磁屏蔽疊積方向(y方向)的磁導(dǎo)率為式中,u0為真空磁導(dǎo)率;uy為垂直與硅鋼片表面的磁導(dǎo)率。c為硅鋼片疊片系數(shù),取0.97。通過(guò)B-H曲線表示平行于硅鋼片表面的沿軋制方向磁導(dǎo)率ux和垂直軋制方向的磁導(dǎo)率uz。在磁屏蔽等疊片部件中渦流不能穿過(guò)疊片,因此由電導(dǎo)率的各項(xiàng)異性描述磁屏蔽的疊積效果。疊片磁屏蔽表面磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),在靠近表面的兩三張硅鋼片中渦流損耗比較集中,此部分損耗不能忽略,取其沿疊積方向的電導(dǎo)率為cσ,此時(shí)電導(dǎo)率模型為其他硅鋼片中沿著疊積方向的渦流很小,產(chǎn)生的渦流損耗也非常小,近似認(rèn)為此方向上沒(méi)有渦流,此部分硅鋼片的電導(dǎo)率取σy=0,σx=σz=σ。此時(shí)電導(dǎo)率模型為本文結(jié)合基于T-Ω位組的三維求解法,采用大型電磁場(chǎng)有限元分析軟件進(jìn)行渦流場(chǎng)計(jì)算。此方法的優(yōu)點(diǎn)為數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單,未知量少,所需計(jì)算機(jī)資源少,計(jì)算時(shí)間短等?？梢杂孟铝泄矫枋霾捎肨-Ω法求解變壓器三維渦流問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。三維時(shí)諧場(chǎng)求解時(shí)考慮了導(dǎo)體中的位移電流,因此在渦流區(qū)域的控制方程為對(duì)于節(jié)點(diǎn)元,則采用庫(kù)倫規(guī)范,引入罰函數(shù)項(xiàng),則由▽·B=0得在非渦流區(qū)域的控制方程為式(4)~(8)中,Hs為源電流在無(wú)限大空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng),Ω為磁標(biāo)量位,σ為電導(dǎo)率,ε為介電常數(shù),μ為磁導(dǎo)率。對(duì)于鐵磁結(jié)構(gòu)件,其渦流區(qū)域V內(nèi)的損耗為式中,J表示單元渦流密度。時(shí)諧場(chǎng)(正弦穩(wěn)態(tài)場(chǎng))的平均渦流損耗可以通過(guò)公式(10)計(jì)算式中,J0rms表示J0在一個(gè)周期內(nèi)的平均值,J0為與J相關(guān)的向量,Pe表示渦流損耗。2計(jì)算流損失的計(jì)算與保護(hù)措施的分析2.1柱內(nèi)點(diǎn)位置和形態(tài)下面計(jì)算變壓器油箱及夾件等結(jié)構(gòu)件的渦流損耗及其分布情況。圖2和圖3分別給出夾件表面和油箱壁內(nèi)表面損耗分布。圖中h為油箱和夾件的高度,l為油箱和夾件長(zhǎng)度。以模型的A柱與X柱中心點(diǎn)作為圖中坐標(biāo)原點(diǎn)。夾件和油箱高度分別為460mm和4400mm,長(zhǎng)度分別為7150mm和9200mm。無(wú)屏蔽時(shí)結(jié)構(gòu)件渦流損耗計(jì)算值見表1。油箱渦流損耗和磁通密度主要集中在A柱與X柱之間繞組端部和每柱繞組中部對(duì)應(yīng)部位。油箱最大磁通密度和局部最大損耗密度分別為1.77T和5912kW/m3,并且出現(xiàn)在箱壁上,而箱蓋與箱底磁通密度和損耗密度相對(duì)較小。夾件磁通密度主要集中在A柱繞組和X柱繞組端部對(duì)應(yīng)的部位,其最大值為0.068T。此處夾件渦流損耗密度也最大,其局部最大值為1621kW/m3。2.2磁屏蔽方式對(duì)夾件膠損性能的影響在電力變壓器結(jié)構(gòu)件中分布不均勻的渦流損耗會(huì)造成局部過(guò)熱問(wèn)題并且影響變壓器的正常運(yùn)行。通過(guò)油箱、夾件以及其他部件安裝磁屏蔽可以降低渦流損耗。高磁導(dǎo)率的磁屏蔽材料,會(huì)使漏磁場(chǎng)吸引到磁屏蔽中,防止漏磁場(chǎng)進(jìn)入油箱等其他結(jié)構(gòu)件,從而降低結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗。油箱磁屏蔽安裝在箱壁內(nèi)表面附近,此處也是損耗主要集中的部位。油箱壁安裝磁屏蔽后箱壁內(nèi)表面損耗分布如圖4所示。安裝磁屏蔽后,箱壁磁通密度和損耗密度明顯降低。由于屏蔽位于繞組端部附近,因此,此處油箱壁磁通密度和損耗密度降低更加明顯。箱壁渦流損耗主要集中在對(duì)應(yīng)于A柱繞組中部和磁屏蔽末端附近。油箱壁最大磁通密度和局部最大損耗密度與無(wú)屏蔽時(shí)相比分別降低26.3%和48.28%。油箱損耗降低33.25%。結(jié)構(gòu)件損耗計(jì)算值列于表2。為了降低夾件渦流損耗采取肺葉式磁屏蔽和L型磁屏蔽方式,安裝磁屏蔽后夾件渦流損耗分布如圖5所示。變壓器采用肺葉式磁屏蔽后,進(jìn)入夾件的漏磁通明顯降低,從而使夾件渦流損耗減小。此時(shí)夾件表面局部最大損耗密度與無(wú)屏蔽時(shí)相比減小了37.22%。夾件外表面采用L型磁屏蔽后,夾件損耗降低更加明顯,其表面局部最大損耗密度與前者相比降低了11.84%,與無(wú)屏蔽時(shí)相比降低了49.06%。此兩種屏蔽方式下結(jié)構(gòu)件渦流損耗計(jì)算值列于表3。圖6和圖7分別給出了不同屏蔽形式對(duì)結(jié)構(gòu)件渦流損耗(Pe)和局部最大損耗密度(Pe-den)的影響。屏蔽情況包括無(wú)任何屏蔽(Ⅰ),油箱安裝磁屏蔽(Ⅱ),夾件安裝肺葉式磁屏蔽(Ⅲ)和L型磁屏蔽(Ⅳ)。從圖6和圖7可看出,采用磁屏蔽措施后油箱及夾件渦流損耗和損耗密度明顯降低。肺葉式磁屏蔽和L型磁屏蔽對(duì)油箱損耗也有一定的影響(如圖6中Ⅲ和Ⅳ)。其中肺葉式磁屏蔽對(duì)油箱局部最大損耗密度(Pe-den)也有影響。夾件安裝磁屏蔽后其渦流損耗明顯降低,并且L型磁屏蔽效果好于肺葉式磁屏蔽,這是因?yàn)長(zhǎng)型磁屏蔽位置與肺葉式磁屏蔽相比離夾件較近。3種屏蔽對(duì)拉板渦流損耗影響不明顯,拉板渦流損耗最多只減小0.44kW,而結(jié)構(gòu)件總損耗降低159.64kW,拉板只占0.28%。2.3肺葉式磁屏蔽前后表面線對(duì)rs-pcr的漏磁場(chǎng)比較夾件磁屏蔽的安裝位置距繞組端部較近,并且由高導(dǎo)磁材料制成,因此它對(duì)繞組端部附近的漏磁場(chǎng)也有一定的影響。在分析夾件渦流損耗的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析位置1和位置2處的漏磁場(chǎng),位置1對(duì)應(yīng)于X柱高壓繞組和中壓繞組之間的主通道上方,位置2對(duì)應(yīng)于A柱高壓繞組和中壓繞組之間的主通道上方(如圖8所示)。圖9為位置1和位置2處的漏磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。從圖9可看出,加裝肺葉式磁屏蔽后,正對(duì)磁屏蔽下方的繞組端部漏磁場(chǎng)明顯增大,而加裝L型磁屏蔽后位置1和位置2的磁場(chǎng)值無(wú)明顯變化。計(jì)算結(jié)果表明了肺葉式磁屏蔽對(duì)繞組端部附近的漏磁場(chǎng)的影響相對(duì)較大。這是因?yàn)榉稳~式磁屏蔽離繞組端部較近,而L型磁屏蔽位置相對(duì)較遠(yuǎn)。3實(shí)際變壓器的損耗分析為了驗(yàn)證漏磁場(chǎng)和損耗計(jì)算方法的有效性,應(yīng)用以上方法對(duì)SFP-17000kVA/37.6kV型實(shí)際變壓器以及變壓器油箱損耗基準(zhǔn)模型(TEAMProblem21-B)、變壓器磁屏蔽損耗基準(zhǔn)模型(TEAMProblem21c-M1)和變壓器無(wú)磁鋼夾件或拉板損耗基準(zhǔn)模型(TEAMProblem21a-0)進(jìn)行了漏磁場(chǎng)和損耗計(jì)算分析。圖10給出了實(shí)際變壓器產(chǎn)品的漏磁場(chǎng)測(cè)試位置示意圖。表4給出了3種模型的鋼板中損耗計(jì)算值(包含屏蔽)與測(cè)量值對(duì)比結(jié)果。圖10中,位置Ⅱ?qū)?yīng)與C相繞組外表面附近,從繞組中心至端部的位置。圖11(a)和(b)分別給出位置Ⅰ和位置Ⅱ的磁通密度輻向分量(By)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。從表4可看出,損耗計(jì)算誤差<2%;從圖11可看出,漏磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本符合,從而驗(yàn)證了所采用的計(jì)算方法的有效性。4磁屏蔽對(duì)雜散耗的影響分析不同磁屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)漏磁場(chǎng)及結(jié)構(gòu)件渦流損耗的影響,得出如下結(jié)論:1)油箱加磁屏蔽能夠有效地降低其渦流損耗及損耗密度。加磁屏蔽后油箱渦流損耗降低33.25%。2)加L型磁屏蔽和肺葉型磁屏蔽可以降低雜散耗,并且有利于消除熱點(diǎn)。夾件采用肺葉式磁屏蔽時(shí)其渦流損耗與無(wú)