电气工程学报, 2016, 11(5): 46-50 doi: 10.11985/2016.05.006

理论研究

三相五柱解体变压器三维漏磁场与短路阻抗的仿真研究

彭志华1, 王晓芳1, 朱丹2, 林立1, 袁旭龙1

1.邵阳学院电气工程系 湖南 邵阳 422000

2.中车大连机车车辆有限公司技术开发部 大连 116022

Simulation Research on Three Dimensional Leakage Magnetic Field and Short-Circuit Impedance of the Collapse of the Three-Phase Five-Column Transformer

Peng Zhihua1, Wang Xiaofang1, Zhu Dan2, Lin Li1, Yuan Xulong1

1.Electrical Engineering College,Shaoyang University Shaoyang 422000 China

2.Technical Development Dept.,Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd.,CRRC Group Dalian 116022 China

收稿日期: 2016-01-25   网络出版日期: 2016-05-25

基金资助: 湖南省科技计划项目经费资助项目.  2015GK3033
湖南省2009年教育厅科学研究项目.  09C884
湖南省科技计划项目经费资助项目.  2015GK2033
邵阳市2015年科技计划重点项目.  

Received: 2016-01-25   Online: 2016-05-25

作者简介 About authors

彭志华 男 1986年生,硕士,助教,研究方向为电气装备电磁场数值分析与优化设计。

王晓芳 女 1965生,电气工程及其自动化工学硕士,副教授,邵阳学院电气工程系副主任,从事电气工程专业教学与管理工作。

摘要

随电压等级升高,大型电力变压器的体积也不断增大,为此需要对变压器铁心进行解体来达到运输的目的;但铁心结构的改变可能会引起漏磁分布不均、局部过热等问题。本文基于有限元法对一台三相五柱解体变压器短路性能进行了三维电磁场仿真研究,计算了变压器漏磁场和绕组短路阻抗,仿真结果与实验结果误差较小,验证了仿真方法的正确性。

关键词： 解体变压器 ; 漏磁场 ; 短路阻抗 ; 有限元法

Abstract

As the voltage increases, the volume of large power transformer enlarges continuously. So people have to disintegrate the transformer core for transportation. However, the change of structure may cause leakage field distribution of maldistribution and local overheating. The 3D electromagnetic field in power transformer simulation of three-phase five-column transformer short-circuit performance and the calculation of the leakage magnetic field is based finite element method. The difference between simulation results and the experimental results is rather small which verifies the accuracy of the simulation.

Keywords： Disintegration transformer ; leakage magnetic field ; short circuit impedance ; finite element method

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本文引用格式

彭志华, 王晓芳, 朱丹, 林立, 袁旭龙. 三相五柱解体变压器三维漏磁场与短路阻抗的仿真研究. 电气工程学报[J], 2016, 11(5): 46-50 doi:10.11985/2016.05.006

Peng Zhihua. Simulation Research on Three Dimensional Leakage Magnetic Field and Short-Circuit Impedance of the Collapse of the Three-Phase Five-Column Transformer. Journal of Electrical Engineering[J], 2016, 11(5): 46-50 doi:10.11985/2016.05.006

1 引言

随着电压等级的不断升高,大型电力变压器体积和质量也不断增大,受运输条件限制,超高压大型电力变压器的体积不可能无限增加,为此需要采用分解变压器铁心的方式达到方便运输的目的[1,2,3,4]。由于变压器铁心结构上的变化,可能会影响到变压器漏磁场分布、短路阻抗等参数,从而直接影响解体变压器的运行性能[5,6,7,8]。因此,本文基于有限元方法对短路情况下三相五柱解体变压器的漏磁场及短路阻抗进行了仿真研究。

本文利用Magnet商用软件对变压器厂家提供的一台OSFPS9–360MVA/330kV三相五柱解体变压器进行分析,针对铁心解体情况,建立了三维有限分析模型,并对漏磁场和短路阻抗进行了计算。通过与变压器厂家提供的参数进行对比,验证了数值计算结果的有效性,为大型解体变压器的优化设计提供了仿真依据。

2 三维模型的建立与仿真结果

2.1 模型的仿真方法

本文采用Magnet商用软件对模型高中压运行额定分接短路情况下进行了仿真分析。该软件计算三维漏磁场的方法为T-Ω法,分别按照非涡流区和涡流区在考虑各向异性的情况下进行计算[9,11],具体方法如下。

非涡流区

式中,Js为绕组电流密度;Hs为源场磁场强度;Ψ为标量电位。

由式（1）〜式（3）可得其非涡流区控制方程为

涡流区

由式（5）〜式（7）可得涡流区控制方程为

考虑铁心材料电导率 和磁导率 采用各向异性方法进行计算,以上式中

根据短路阻抗的定义,将一个绕组接成短路,在另一个绕组中施加额定值大小的电流时,利用磁势平衡原理,该短路绕组中电流也将达到额定值。此时励磁绕组的电压降为UZ,利用式（11）即可计算出短路阻抗值[10]。

式中,UZ为励磁绕组的计算电压;UN为励磁绕组的额定电压。

2.2 模型结构尺寸与参数

建模仿真前本文对仿真模型做了如下假设：

（1）不考虑铁心内涡流、高低压绕组内环流和拉板、夹件等金属结构件材料的磁滞特性对仿真的影响。

（2）励磁源为正弦波,不考虑高次谐波的影响。

（3）电流密度在绕组各安匝分区内均匀分布,铁心和油箱、磁屏蔽采用非线性材料处理。

图1给出了一台三相五柱解体变压器三维仿真模型。该模型为整个变压器的1/4,分别由铁心、绕组、拉板、夹件、油箱和磁屏蔽等组成。由此图可以看出,整个变压器铁心由3个铁心柱、2个旁轭以及上下铁轭组成,每个铁心柱沿其铁心柱中心线进行解体,分解为左右均等的两部分,其中左右铁心柱之间间隙为6mm。

图1

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图1   三相五柱解体变压器三维模型

Fig.1   Collapse of the three-phase five-column transformer three dimensional model


由图1可知,三相五柱解体变压器每个铁心柱上绕组从外到内分别为调压绕组、高压绕组、中压绕组和低压绕组,图中从左铁心柱到右铁心柱上绕组分别为A、B、C三相绕组。该解体变压器的绕组联结图如图2所示,其中变压器联结组别为：YN,a0,d11;额定电压为：330kV/115kV/35kV。高压绕组为523匝,中压绕组为243匝,低压绕组为128匝,调压绕组为38匝。

图2

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图2   绕组联结图

Fig.2   Winding connection diagram


2.3 三维仿真模型的建立

为了减少计算量节约计算时间,根据变压器结构的对称性以及电磁分布的特性,模型取整个变压器结构的1/4进行建模。利用Magnet商用软件对解体变压器短路性能进行仿真,其中高压绕组额定相电流为572.6A,额定相电压为209 580V;中压绕组额定相电流为1 234.8A,额定相电压为66 395V。采用有限元的方法对其三维漏磁场进行求解计算,即在A、B、C三相高压侧绕组加载外接电流源,电流源大小为I1 = I2 = I3 = 572.6A,相位依次落后120°。中压侧绕组短路,低压侧绕组开路,如图3所示,解体变压器处于高中压（额定分接）运行状态。

图3

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图3   电路接线图

Fig.3   Circuit interconnect pattern


2.4 仿真结果与分析

本文仿真时对模型进行四面体单元剖分,由于主要研究变压器漏磁场,从而对拉板、夹件、磁屏蔽、绕组以及油箱进行了精细剖分,对铁心和空气包进行了粗剖,结果如图4所示。其中：总节点数为118 446,总边数为360 858,总面数为242 454。本文对一台惠普Z820工作站（96G内存,12核CPU）进行了仿真计算。

图4

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图4   网格剖分图

Fig.4   Mesh generation


图5为三相五柱解体变压器B相绕组励磁电流为最大值时变压器漏磁场分布云图。为了深入研究该时刻漏磁场分布,对铁心、绕组以及空气包进行隐藏,图6所示为拉板、夹件、磁屏蔽和油箱等的漏磁场分布云图。从这两个图中可以看出,由于变压器解体,导致A、B、C三相铁心柱上磁密分布存在偏差。由于变压器采用高中运行,因此每相高压绕组和中压绕组之间磁密较大,其中B相绕组最大值达到了0.312T。从图6可以看出B相绕组周围的漏磁场相对较大,其磁屏蔽上最大漏磁密达到了1.155T,一定程度上减少了油箱上的漏磁。油箱顶部离绕组较近的地方磁密也相对过大,最大值达到了0.298T。由于变压器铁心进行了解体,导致金属结构件漏磁场偏大,因此变压器设计时必须充分考虑离绕组较近处金属结构件局部磁密过大而导致的局部过热问题。

图5

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图5   解体变压器漏磁场云图分布

Fig.5   Cloud image distribution of leakage magnetic field of Disintegration transformer


图6

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图6   金属结构件、油箱等漏磁场云图分布

Fig.6   Cloud image distribution of leakage magnetic field of metal structure,fuel tank,etc.


图7为变压器高中压运行短路情况下仿真得出A相中压绕组Coil#A2、B相中压绕组Coil#B2、C相中压绕组Coil#C2短路电流波形图,其中压绕组额定相电流值为1 234.8A,三相中压绕组仿真计算值以及与额定值之间的误差见表1。

图7

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图7   中压绕组短路情况下电流波形

Fig.7   Current waveform in the case of medium voltage winding short circuit


表1   中压线圈相电流

Tab.1  Mediunm voltage coil phase current

中压绕组电流计算值/A误差(%)
额定电流1 234.8—
A相1 232.10.158
B相1 235.20.032
C相1 231.90.235

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由表1可知,中压绕组电流仿真计算值与额定值相比出现小幅误差的主要原因是由于变压器铁心解体,导致漏磁增多,从而出现小幅短路电流偏小的情况,并且三相中压绕组短路电流不再是标准的正弦波,含有谐波。对应的高压侧三相电压值如图8所示,A相高压侧电压值Coil#A3为5 448V,B相高压侧电压值Coil#B3为5 461V,C相高压侧电压值Coil#C3为5 474V,由于高压绕组电阻为0.287 74Ω,模型采用1/4部分进行计算,折算为实际全模型后,可得三相高压绕组短路阻抗计算值以及与实验值之间的误差见表2。由表2可知：A、B、C三相变压器短路阻抗仿真值与实验值的误差较小,满足设计要求,对工程实际设计起到了一定的指导作用。

图8

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图8   高压绕组短路情况下电压波形

Fig.8   Voltage waveform in the case of high voltage winding short circuit


表2   短路阻抗计算值

Tab.2  Calculated value of Short-Circuit impedance

高压绕组计算电压值/V短路阻抗值(%)误差(%)
实验值–10.62–
A相22 451.210.710.87
B相22 503.210.741.1
C相22 555.210.621.34

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3 结论

本文利用Magnet商用软件对三相五柱解体变压器短路情况进行有限元三维模型仿真,得到了解体变压器的漏磁场分布以及高中压运行额定分接下的短路阻抗,并对解体变压器漏磁场进行了分析。由于变压器铁心进行了解体,在靠近变压器绕组附近的金属结构件以及油箱受漏磁影响加剧,磁密略大,属于变压器可承受范围内。仿真计算得出的短路阻抗误差较少,为厂家对三相五柱解体变压器设计提供了理论指导依据。

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