大型变压器铁心拉板涡流损耗的应用研究 -

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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1概述
大型变压器中的漏磁场及由此产生的金属结构件损耗问题, 是变压器制造公司和运行部门普遍关注和亟待解决的难题之一。由于绕组漏磁场及其在邻近的金属构件中产生的涡流损耗分布极不均匀，若设计不当，易于在涡流损耗集中的部位产生局部过热。因此，对变压器的绕组漏磁场及其在邻近结构件中产生的涡流损耗进行分析研究，将对变压器可靠性的提高，具有十分重要的意义。
在文献[1-2]中，作者设计了模拟变压器铁心低磁钢拉板涡流损耗的模型，并进行了试验研究与计算方法的验证，为研究实际变压器的绕组漏磁场和铁心低磁钢拉板涡流损耗奠定了基础。从应用角度考虑，设计人员一方面关心结构件的损耗大小；另一方面更关注结构件的局部过热问题。目前，通过产品的负载试验，只能给出变压器总的杂散损耗，而无法分离出金属结构件各自的杂散损耗；对于变压器铁心拉板可能的局部过热问题在设计时更是难以预测。为此，本文通过对求解对象的合理简化及分析，利用作者已建立的计算大型变压器的绕组漏磁场及铁心低磁钢拉板涡流损耗的二维有限元模型，并结合典型变压器算例，对影响铁心低磁钢拉板涡流损耗的拉板开槽数目、开槽长度、开槽宽度和拉板开槽方式等的因素进行了定量的分析，初步得出了若干在实际产品设计中具有指导意义的结论。
2 关于计算模型
严格地说, 本文要研究的变压器绕组漏磁场和铁心低磁钢拉板涡流损耗问题是一个含有多介质、非线性的三维涡流场问题[3-4]，从产品设计与工程应用角度考虑，由于二维方法简单易行，便于在产品设计中推广应用，并且，计算结果能够满足工程设计要求，因此，国外日立、东芝等的大型变压器制造公司对产品设计中的电磁场问题，一般均采用二维方法计算；本文作者在借鉴国内外计算经验的基础上，为了突出主要问题，经过对大型变压器铁心拉板的结构特点分析及合理简化，建立了可以求解的二维有限元模型，有关大型变压器的绕组漏磁场和低磁钢拉板涡流损耗的基本方程推导见文献[2,4].
3 典型变压器铁心低磁钢拉板的涡流损耗分析
利用有限元方法，分别对大型变压器的绕组漏磁场和低磁钢拉板开槽数目、开槽长度和宽度及拉板的新老结构对变压器低磁钢拉板涡流损耗及其分布的影响进行了计算, 由此所得的结论对合理设计大型变压器铁心拉板的结构和防止其局部过热具有重要意义.
3.1 铁心拉板开槽长度和开槽宽度对拉板涡流损耗的影响
首先计算了31.5MVA变压器的绕组漏磁场和铁心拉板涡流损耗随拉板槽长系数和开槽宽度改变时的情况.，该变压器拉板开一个槽，拉板宽度是120mm。如图1是31.5MVA变压器的绕组漏磁场及拉板表面法向磁通密度沿其高度(或长度)的分布（D代表实测值）;表1和表2分别为铁心拉板开槽长度和开槽宽度改变时的涡流损耗计算结果，表中铁心拉板槽长系数的定义: 拉板开槽长度与绕组高度之比.
计算结果表明, 铁心拉板表面的磁通密度计算值和测量值趋于一致；拉板涡流损耗密度和涡流密度最大的部位是在拉板开槽的端部位置(即槽端部)和对应绕组端部的拉板边缘(即绕组端部), 这与所测量的最热点位置是一致的; 从表1可知, 铁心拉板槽长系数从1.11增至1.3时, 其涡流损耗约降低32％，最大涡流密度和涡流损耗密度降低效果明显；表2表明: 铁心拉板开槽宽度从4mm增至16mm时, 其涡流损耗约降低20％; 相应的拉板涡流损耗密度和涡流密度的降低幅度小于槽长系数改变时的结果。
表1 31.5MVA变压器拉板开槽长度改变时的计算结果（槽宽为4mm）
铁心拉板槽长系数 1.11 1.2 1.3
涡流损耗 (%) 100.0 79.47 67.64
最大涡流损耗密度 x106(w/m3) 3.125 1.663 0.858
最大涡流密度 x106(A/m2) 2.083 1.520 1.091
最大值发生部位槽端部槽端部绕组端部

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