（电气工程专业论文）大型风冷sfsz180000220电力变压器的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的快速增长，电力工业得到了迅速发展。经济发达地区的 城市的居民用电量已达到或接近先进国家水平，2 2 0 k v 变压器己进入城市中心地 区和工业经济园区，成为供电的中枢。变压器作为变电站的主要关键设备之一， 对其可靠性、技术经济指标和环保要求均有更高的要求，因此借助于大型分析软 件，通过对电力变压器漏磁场、电场、绕组波过程和散热能力的分析，开发设计 自然油循环风冷2 2 0 k v 大型电力变压器，具有重要的技术、经济和社会效益。 对于2 2 0 k v 大型电力变压器，受条件限制，传统设计主要依赖于经验积累， 由于对电场、漏磁场的分析不细致，绝缘结构整体可靠性需要进一步提高，漏磁 场在油箱等金属件中产生的杂散损耗未能得到有效控制。另外由于2 2 0 k v 电力 变压器容量大，运行中自身产生的损耗也大( 一般在5 0 0 k w 以上) ，为保证其散 热需要，一般采用强油循环冷却，这种冷却方式一是附件噪音大，二是油流速高、 易产生油流带电，可靠性低。 本课题借助于分析软件，开发设计大型风冷s f s z 1 8 0 0 0 0 2 2 0 电力变压器， 优化结构，降低损耗和噪音，提高可靠性，满足环保节能的要求。主要工作是： 通过电场和绕组波过程分析，确定科学合理的端部出线的主纵绝缘结构，提高可 靠性；通过对漏磁场的分析，确定磁屏蔽结构，降低漏磁场在油箱壁中产生的涡 流损耗，消除局部过热现象；通过对散热系统的分析，选择合理的冷却结构，实 现自然油循环风冷，降低附件产生的噪音，消除油流带电现象，提高运行可靠性。 关键词：漏磁场；电场；绕组波过程；冷却系统 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yi no u rc o u n t r y , e l e c t r i cp o w e r i n d u s t r yd e v e l o p sr a p i d l y e l e c t r o - q u a n t i t yo ft o w n s m a ni ne c o n o m yd e v e l o p e da r e a s o fo u rc o u n t r yh a sr e a c h e do r a p p r o a c h e d t h el e v e lo f d e v e l o p e dc o u n t r y t r a n s f o r m e r so f2 2 0 k vg r a d ew h i c hh a v eb e e nu s e di nc e n t r a lz o n eo fc i t ya n d i n d u s t r ye c o n o m yr e g i o n ，h a v eb e c o m ep o w e r - s u p p l yc e n t r u m s a st h eo n eo fk e y e q u i p m e n t s i nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，t r a n s f o r m e ri s r e q u i r e d t oh a v eh i g h e r r e l i a b i l i t y , t e c h n i c a le c o n o m yg u i d el i n ea n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nd e m a n d t h e l a r g ea n a l y s i ss o f t w a r ec a nb eu s e dt oa n a l y z el e a k a g em a g n e t i cf i e l d ，e l e c t r i cf i e l d ， w i n d i n gw a v ep r o c e s sa n dd i s p e r s i n gt h e r m a lc a p a b i l i t yo ft h et r a n s f o r m e r t h el a r g e e l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e ro f2 2 0 k vg r a d e 、柝t hn a t u r a lo i lc i r c u l a t i o nc a nb e r e s e a r c h e da n dd e s i g n e db yu s i n ga n a l y s i ss o f t w a r et h a tw i l lh a v ei m p o r t a n tb e n e f i ti n t e c h n o l o g y , e c o n o m ya n ds o c i e t y t h et r a d i t i o nd e s i g no ft h el a r g ee l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e ro f2 2 0 k vg r a d ei s d e p e n d e do ne x p e r i e n c eb e c a u s eo fc o n d i t i o nr e s t r i c t i o n t h ew h o l er e l i a b i l i t yo ft h e i n s u l a t i o nc o n f i g u r a t i o nn e e d st ob em o r ei n c r e a s e da n dt h es t r a yl o s si nt h em e t a l p i e c e so ft h et a n kc a n tb ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l yb e c a u s et h ea n a l y s i so ft h el e a k a g e m a g n e t i cf i e l da n de l e c t r i cf i e l di s n tp a r t i c u l a r t h et y p eo ff o r c e do i la i rc o o l i n gi s u s e di nh u g ec o n t e n te l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e ro f2 2 0 k vt od i s p e r s et h e r m a l c o m p l e t e l y b u tt h i sc o o l i n gt y p eh a ss e v e r a ld i s a d v a n t a g e ss u c ha sa d j u n c t sh a v eb i g n o i s ea n dv e l o c i t yo ff l o wi sh i 【g ht h a tw i l lb r i n ge l e c t r i f i c a t i o na n dh a v el o w r e l i a b i l i t y b yu s i n gt h ea n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dd e s i g n st h el a r g ea i r b l a s tc o o l i n ge l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e rw h i c ht y p ei ss f s z 一18 0 0 0 0 2 2 0 ，i no r d e rt o o p t i m i z ec o n f i g u r a t i o n ，r e d u c el o s s e sa n dn o i s e ，i n c r e a s ed e p e n d a b i l i t ya n ds a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n de c o n o m i z i n ge n e r g ys o u r c e s s o m e p r i m a r yw o r k sa r ed o n ei nt h ep a p e r t h em a i n - v e r t i c a li n s u l a t e dc o n f i g u r a t i o n 、析t 1 1 s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l et e r m i n a lo u t l e ti sc o n f i r m e db yt h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r i c 3 山东大学硕士学位论文 f i e l da n dw i n d i n gw a v ep r o c e s s ，i no r d e rt oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t y t h em a g n e t i c s h i e l dc o n f i g u r a t i o ni sc o n f i r m e db yt h ea n a l y s i so ft h el e a k a g em a g n e t i cf i e l d ，i n o r d e rt or e d u c et h ee d d yc u r r e n tl o s s e sp r o d u c e di nt h et a n kb yt h el e a k a g em a g n e t i c a n dr e m o v et h ep a r ts u p e r - h e a tp h e n o m e n a t h er e a s o n a b l es y s t e mi sc h o s e nb yt h e a n a l y s i so ft h ed i s p e r s i n gt h e r m a ls y s t e mi no r d e rt or e a l i z en a t u r a lo i lc i r c u l a t i o na i r c o o l i n g ，r e d u c et h en o i s ep r o d u c e db ya d j u n c t s ，r e m o v et h ep h e n o m e n ao f e l e c t r i f i c a t i o nw i t ho i lf l o wa n di n c r e a s et h er u n n i n gr e l i a b i l i t y k e y w o r d ：l e a k a g em a g n e t i cf i l e d ；e l e c t r i cf i l e d ；w i n d i n gw a v ep r o c e s s ；c o o l i n g s y s t e m 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：丛幽函 e l期：丝! 星：翌! ! ：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名烛导师签名：i 丝缸日 期：兰! 竺：皇尘 山东大学硕士学位论文 1 1 电力变压器的发展 第一章绪论 1 8 3 1 年1 8 8 5 年，是变压器的发明阶段：法拉第发现电磁感应原理后，英 国人在1 9 8 2 年制成开路铁心单相变压器和电流互感器；1 9 8 4 年，匈牙利工厂制 造出一台单相闭合磁路的变压器后，变压器的名称才开始沿用下来。1 8 8 6 年 1 9 3 0 年，是变压器的完善阶段：1 8 9 0 1 9 0 0 年间，油浸式三相变压器、三相五 柱变压器相继产生；1 9 0 0 年发明硅钢片后，开始用硅钢片制造变压器铁心；在 1 9 1 5 年提出了过电压保护方式；1 9 3 0 年前后变压器的基本理论已基本形成。1 9 3 0 年至今，变压器进入改进提高阶段，即采用新材料、改进结构、改进工艺、不断 扩大变压器的使用范围【l 】。 自新中国成立以来，尤其是改革开放以后，我国的电力工业取得了突飞猛进 的发展。迄今，全国的总装机容量与年发电量都己跃升到世界第二位，成为了名 副其实的“电力大国”，其成就是十分巨大的和惊人的。但是，由于我国人口众多， 在按人口平均的装机容量与年用电量方面，仍处于发展中国家的中等水平。今后， 随着我国在新的世纪中国民经济迈向全面的小康社会，电力工业必将取得更快的 发展。而变压器是电力系统中的一个极其重要的设备，无论是发电厂、变电所、 输配电网络还是广大的用户以及国民经济的各个部门，都使用着各式各样的变压 器。据统计，每增加l k w 的发电装机容量，就需要配套6 - 8 k v a 的变压器，可见， 今后随着整个国民经济的高速发展，对变压器的需要量还将不断增加 2 】【3 】。因此， 作为电网建设重点环节的变压器，将具有比其他电力设备更长的景气周期和更持 久的增长【4 】。这就需要重视调整高压变生产供应能力，从设计、制造和生产运行 环节下功夫提高变压器的质量和可靠性【5 1 。 变压器是一种静止的电磁感应设备，在其匝链于一个铁心上的两个或几个绕 组回路之间可以进行电磁能量的交换与传递。根据不同用途，变压器可以分为许 多类型：电力变压器、电炉变压器、整流变压器、工频试验变压器、电抗器、调 压器、矿用变压器和其他特种变压器。其中电力变压器又分为降压变压器、升压 变压器或者分为发电机用变压器和配电变压器及联络变压器。电力变压器按结构 山东大学硕士学位论文 主要分为心式变压器和壳式变压器两种心式变压器如图1 - 1 所示。本论文研究 的是心式2 2 0 k v 降压电力变压器州”。通过对该变压器的分析，提高其结构的合 理性和质量的可靠性。 雾 图1 1 心式变压器图 1 2 电力变压器的研究现状 从1 9 世纪8 0 年代匈牙利三位工程师发明了变压器以来，一个多世纪里，电 力变压器国内外发展均按照电磁感应原理，以硅钢片、电磁线和油浸纸绝缘为主 体，原理未曾改变，只是设计参数、工艺材料有不断的更新变化。随着年代的推 进，生产工艺日臻完善，因而各项技术参数也愈来愈先进【8 】。随着变压器电压等 级越来越高、容量越来越大来产品开发将不会只强调降损，而会从运行可靠性、 安全环保、方便维修、节能降耗、控制成本等方面进行综合考虑，研制出低损耗、 低噪音、安全性好、抗短路能力强、低局放的变压器。新结构、新工艺、新材料 的综合发展与结合，会不断推出质量更高、可靠性更好的产品h 。 随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的同益提高，我国发、供用电量逐 年大幅增加( 年均增艮幅度大于1 0 ) 。变压器的使用范围也发生了相应变化， 2 2 0 k v 及电力变压器由过去的主要用于长距离输电逐步改为主要用于区域供电 中心变电站，例如在珠江三角地区、长江三角地区、京津塘地区等。随着供电半 蕊 糁 山东大学硕士学位论文 径的减少、用电负荷的增加、供压质量要求的提高，再加上供电中心变电站一般 靠近或位于市区，对2 2 0 k v 级电力变压器的环保性、性能参数、安全可靠性等 均提出了新的更高的要求。据统计，近年国家电网系统容量为1 8 0 m v a 的2 2 0 k v 级变压器需求量已占2 2 0 k v 级电力变压器总需求量的6 0 7 0 。 由于新型环保节能2 2 0 k v 级大容量自然油循环风冷电力变压器技术含量高、 结构复杂，生产难度大，因而国内该类变压器市场被国外著名大公司及合资公司 垄断，据统计该类产品国外和合资公司市场占有率超过8 5 。开发这种新型变压 器，不仅符合国家的产业政策，提升国产产品市场占有率，而且能够大幅度提高 公司的技术水平，加快公司发展。 目前对大型油浸式变压器的研究方向很多，如对变压器进行以用户提出的产 品规格和性能指标为初始数据，并由计算机完成电磁方案优化计算的电磁优化设 计；利用有限元软件a n s y s 对变压器进行磁场、电场和应力场分析；对变压器 油中溶解气体进行在线监测；对变压器绕组热点温度进行在线测量；油浸式电力 变压器绕组与铁心振动特性研究；大型油浸式变压器自动灭火设施研究等【1 0 h 18 1 。 本论文的研究方向是利用大型分析软件对2 2 0 k v 油浸式变压器进行漏磁场、电 场、绕组波过程和散热能力的分析，以降低变压器的成本，提高变压器的质量。 1 3 课题来源及研究内容 本课题来源于所在工作单位济南变压器集团股份有限公司的变压器产品订 货合同，产品型号是s f s z 1 8 0 0 0 0 2 2 0 ，即2 2 0 k v 、1 8 0 m v a 三相三绕组有载调 压降压变压器。文中应用大型有限元软件a n s y s 对变压器产品简化后的二维结 构进行建模，分析其漏磁场和电场。通过电场和绕组波过程分析，确定了线圈端 部出线结构，提高了可靠性。通过对漏磁场的分析，调整变压器磁屏蔽结构，改 善漏磁分布，降低漏磁场在油箱壁中产生的涡流损耗。通过对散热系统的分析， 选择合理的冷却结构，实现自然油循环风冷，消除油流带电，同时降低附件产生 的噪音。本文的目的就在于，在确保产品安全可靠性的前提下，改善产品结构， 达到降低产品损耗、噪音和局放，增强产品抗短路性，提高产品质量的目的。 7 山东大学硕士学位论文 第二章变压器短路阻抗计算 2 1 短路阻抗计算公式 短路阻抗是变压器设计计算中一个十分重要的参数，它的大小涉及到变压器 的成本、效率、电压变化率、机械强度、短路电流大小等。为了降低负载损耗， 提高效率，减小电压波动率，短路阻抗应该小；为了降低短路电流和增加变压器 耐受短路时的机械强度，短路阻抗应该大，当然减小短路阻抗制造厂成本会适当 降低。短路阻抗可用标幺值和百分数表示，它包括两个分量：电阻和电抗分量。 电阻分量需换算到绕组的参考温度，油浸式变压器的电阻分量为7 5 0 c 时的数值。 对于中小型变压器，须计算电阻电压，而对于大型变压器，它占的比例很小，可 忽略不计。电抗分量为额定频率下的值。短路阻抗大小关系到变压器这么多重要 功能，所以短路阻抗的选取需综合考虑。然而，变压器的短路阻抗可以在若干个 数量级范围内变化，这取决于变压器容量和额定电压，因此它不常使用。从限制 短路电流、电压调整和并联运行的角度来看，以标幺值( p u ) 或百分值表示阻 抗电压在处理时更方便。 阻抗电压是变压器短路阻抗和额定电流的乘积。若提高阻抗电压1 0 5 到 2 0 ，则制造成本增加3 0 ，1 8 0 m v a 的高阻抗变压器电磁线要增加2 0 吨左右， 附加损耗加大( 因为漏磁变大) 。高阻抗变压器短路电流倍数，z 坐，提高阻抗 甜量 电压可明显降低变压器的短路电流，提高变压器的抗短路能力。同时，短路电流 降低后，高压开关的额定开断电流数变小，开关可以做的相对简单，节省了费用。 阻抗电压包括电阻电压降和电抗电压降两个分量。 对于同心式绕组，电阻电压降计算公式 u r ( o5 盖 式中 最7 5o c 时的负载损耗，w ；额定容量，k v a 。 阻抗电压降计算公式 u 置( 呦= y u 姒7 0 j 2 + u x ( 呦2 8 山东大学硕士学位论文 式中 u k ( ) 阻抗电压；【，尺( 嘲电阻电压降；u x ( 呦电抗电压降。 一般电阻电压降很小，对于8 m v a 及以上的变压器可略去不计。本文研究的 变压器产品容量为1 8 0 m v a ，电阻电压降可忽略，阻抗电压只计算电抗电压降分 量，即u 茁( ) = u x ( ) 。 阻抗电压计算中应注意的问题： i 。要求并联运行，计算时必须要以用户提供的现有变压器阻抗值为基准。 i i 阻抗计算要控制偏差，不超过标准的- 4 - 2 。 i i i - 大容量变压器阻抗应考虑引线电抗和辐向漏磁的影响。 一个漏磁阻的漏磁通是由该漏磁阻主漏磁空道二侧所有绕组相互平衡的磁 势所产生的。设一个漏磁阻主漏磁空道- n 所有绕组的磁势之和等于基准磁势 ，根据磁路的欧姆定律，可以写出基准漏磁通： ：w ( 2 1 ) r 口 式中 r u 该漏磁阻的磁阻( h 1 ) 。 漏磁路的磁阻： 耻嘉 协2 ， 式中h 磁路长度( m ) ；相对导磁率，鳓= o 4 x x1 0 6 ( h ，m ) ； s 磁路面积( m 2 ) 。 对于变压器的漏磁场而言，磁路的磁阻主要集中在一个漏磁阻中所有绕组所 占据的空间非铁磁介质上。在绕组所占据的以外空间，磁力线发散，磁阻大大降 低。所以磁路的计算长度可以取为绕组的高度( 同心式绕组) 或漏磁阻的宽度( 交 错式绕组) 。为了考虑绕组所占空间以外的磁路的磁阻，需引进一个磁路长度修 正系数p ，该系数称为洛氏系数。于是式( 2 2 ) 便可写成 驴繁= 去 协3 ， 对于同心式绕组，式中日r 为一个漏磁阻内所在绕组的平均高度。对于交错 9 山东大学硕士学位论文 式绕组，式中h k 以一个漏磁阻内所有绕组的平均宽度r 来取代。 由式( 2 - 1 ) 、( 2 3 ) 司以求出该漏磁阻的漏磁密 b ：里：x o w p ( 2 - 4 ) s 爿k 如果该漏磁阻的相对漏磁链为甲爿，那么它的实际漏磁链 甲：甲。b w ：t x o i t t v 2 甲a p ( 2 5 ) 式中矽基准匝数 该漏磁阻的漏电感 该漏磁阻的电抗 驴手= 譬 ( 2 6 ) x r - - 2 班k = 等产c 协7 ， 绕组电抗电压占基准电压的百分数 = 参圳。= 式中e ，基准每匝电压( v ) 。 ( 2 8 ) 在工程计算中，通常将相对漏磁链甲a 表达式中的2 万提出来，q _ k - 式中 的系数合并，而把咒= 九2 n 定义为等值漏磁面积。于是上二式可分别写成 耻半1 0 - 6 ( 哟 ( 2 - 9 ) 呦= 鼍警 ( 2 1 0 ) 其中漏磁阻几何尺寸的计量单位是m ，而在工程计算中，通常采用c m 。在 这种情况下，式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 可分别写成 l o 耻鼍孚 ( 2 1 1 ) 山东大学硕士学位论文 呦= 警 1 0 一：4 9 6 f l w s 4 p e t h 足 式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 即为绕组电抗电压计算公式的一般形式。 当f = 5 0h z 时，上二式可分别写成 耻等竽枷- 6 ( 哟 协 u x ( 呦= ( 2 1 4 ) 对于同心式绕组，洛氏系数p ：1 一土( 1 _ e - t 9 1 ) ：1 + 土 一彬一1 ) ( 2 1 5 ) “：旦( 2 1 6 ) f 式中日k 漏磁阻的高度，即漏磁阻内所有绕组的平均轴向高度； j 万漏磁阻的宽度，即漏磁阻内所有绕组和漏磁空道的辐向宽度之和。 电抗计算，往往不能一次计算就能符合要求，需要做适当调整。从式( 2 1 4 ) 可以看出，队i 是不变量，u x ( ) 与是平方关系，与邑，h r 是线性关系。形与 铁心直径的大小有关。铁心直径小，匝数就多，用的硅钢片就少，铜线就多。反 之，铁心直径大，匝数就少。所以，当u x ( 与要求值相差较大时，首先考虑调 整铁心直径。当u z ( 呦与要求值相差不大时，考虑调整l 、h r 。调整高、低压 线圈平均有效电抗高度日芷，日k 增大，邑必然随着缩小。调整导线的a x b ) 2 寸 及调整段数均可达到调整日r 的目的。对吼的调整有两种方法：一是调整线圈的 辐向尺寸；一是增加或减少漏磁通道。在满足绝缘最小距离情况下，增减高低压 线圈间的距离，可使电抗值增大或减少。这种方法浪费材料，最好不用。调整每 匝电压p ，也可调整u x ( ) ，当电抗值偏大时，可增加每匝电压巳，e ，增大，匝数 w 必然会减少，从而达到降低电抗的目的。若使e ，改变需调整磁密和铁心直径， 这种方法因变动较大，一般不用19 1 。 山东大学硕士学位论文 2 2 阻抗电压计算 三绕组变压器具有高、中、低三个绕组，这三个绕组既可以同时参与运行， 也可以任意两个绕组参与运行。这里所说的高压绕组分为基本绕组和调压绕组。 三绕组变压器在双绕组运行状态下阻抗称“二绕组运行阻抗”，它与一般双绕组变 压器的阻抗完全相同。三绕组变压器在三绕组运行状态下的阻抗称“联合运行阻 抗”，它与双绕组运行阻抗不同，但是他们之间存在确定的数量关系。在本文中， 我们只计算“二绕组运行阻抗”，分别对s f s z 1 8 0 0 0 0 2 2 0 变压器产品的额定分 接、最大正分接和最大负分接下的阻抗电压进行计算。以上三种情况下 s f s z 18 0 0 0 0 2 2 0 变压器产品的各绕组的匝数和电流如下表： 表2 1 各绕组的匝数和电流 绕组低压中压高压调压 匝数4 42 8 l5 3 8 额定分接 电流( a ) 2 8 5 79 0 3 74 7 2 4 匝数 4 42 8 15 3 88 x 7 最大正分接 电流( a ) 2 8 5 79 0 3 74 2 9 4 34 2 9 4 3 匝数 4 4 2 8 15 3 88 x 7 最大负分接 电流( a ) 2 8 5 79 0 3 75 2 4 8 65 2 4 8 6 该变压器产品的高压绕组和中压绕组设计有轴向油道，绕组相关数据如图 2 1 所示： 图2 1 绕组相关数据分布 i l l l 、a 2 l 、a 2 2 、a 3 l 、a 3 2 、a 3 3 、a 4 l 分别为低、中、高、调压绕组的辐向厚度( 裸 1 2 山东大学硕士学位论文 线间) ，c m 。 a 2 、a 4 、a r 分别为中、高压绕组本身油道宽( 裸线间) ，c m 。 a l 、a 3 、a 6 分别为低中压、中高压、高调压绕组间油道宽( 裸线间) ，c m 。 r l l 、r 2 、1 3 2 、1 3 3 、r 4 1 分别为低中高调压绕组的平均半径，c m 。 1 2 、r 4 、r 5 分别为中高压绕组中油道平均半径，c m 。 r l 、r 3 、r 6 一分别为低中高调压绕组间油道的平均半径，e m 。 r i i 、r 1 2 、r 2 l 、r 2 2 、r 3 l 、r 3 2 、r 4 l 、r 4 2 分别为绕组表面的半径( 至裸线) ， 本文计算阻抗电压时，取基准磁势为2 i d w d ，其中i d 、w d 分别为低压绕组 的电流( 按容量1 8 0 m v a ) 和匝数。则阻抗电压的计算公式可写为： = 等等产( 2 - 1 7 ) 1 额定分接 额定分接时的磁势分布分别如图2 - 2 、2 - 3 、2 - 4 所示。将变压器相关数据带 入式( 2 - 1 7 ) ，可 n u x o d ( 呦= 2 5 6 2 ，u 嬲一z ( 绚= 1 4 4 6 ，u 忍一d ( 呦= 8 6 0 闩日曰阳 图2 2高压低压绕组磁势分布图 曰日日曰 图2 3高压中压绕组磁势分布图 山东大学硕士学位论文 日 日 日 口 1 4 八 漱1l2 阿阳h 门 山东大学硕士学位论文 曰曰日门 同同同h 曰同h 曰 山东大学硕士学位论文 u 舾一d ( ) = 2 4 9 2 u 船- z ( ) = 1 3 7 1 ；与以上计算值的误差在规定范围内，说明 本公司的计算公式和方法是正确的，与本公司的工艺水平相符合。 1 6 山东大学硕士学位论文 3 1 变压器漏磁场 第三章变压器漏磁场分析 3 1 1 变压器漏磁场的特点 变压器的稳态磁场可以看作两个部分：一部分由励磁磁势= i u n l 建立， 称为稳态主磁场，另一部分由其和等于零的稳态负载电流和一次电流负载分量的 磁势“+ ，：n ：= 0 所建立，称其为稳态漏磁场。稳态主磁场和稳态漏磁场在性 质上有着明显的不同，其不同是： 1 由于铁磁材料有饱和现象，所以主磁通的磁阻不是常数，主磁通与建立它 的电流之间呈非线性关系，其值大小与外施电压成正比，在额定电压下，励磁时 产生的主磁通不应使铁心饱和，即此时的磁通密度不应饱和【2 们。当变压器带上负 荷电流时漏磁通即随之而产生。主磁通的路径全部是铁磁材料，而漏磁通，有的 是在绕组所占的部分空间闭合；有的是通过高低压绕组空道再回到绕组所占的空 间闭合；有的是通过绕组端部空间，进入压板( 钢压板结构) 后再回到绕组所占 空间后闭合：有的还要进入油箱后闭合，情况复杂得多。漏磁通的磁路大部分由 非铁磁材料组成，所以漏磁通的磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它的电流呈线 性关系； 2 主磁通在一、二次绕组中均感应电动势，当二次侧接上负载时便有电功率 向负载输出，故主磁通起传递能量的媒介作用。而漏磁通仅在绕组中感应涡流与 并联导线的循环电流，其不能传递能量，仅起压降作用。稳态漏磁场的大小及分 布规律决定着变压器绕组的漏抗、附加损耗以及变压器金属结构件里的损耗。从 漏磁通所经过的闭合路径分析可知。漏磁通在开磁路结构件包括通过部分心柱或 磁屏蔽形成回路，主磁通与漏磁通在心柱内为向量和，主磁通在铁心内产生空载 损耗，漏磁通在绕组内或其他结构件内产生附加损耗。变压器在稳态运行时，无 论是外加电压或负载电流都不发生突然的急剧变化，因而漏磁场的幅值也基本保 持稳定，约为主磁通与短路阻抗标幺值乘积。即主磁通和漏磁通在数量上有下列 关系： 1 7 山东大学硕士学位论文 ，= “ 1 0 0 x o 式中：1 4 。为变压器阻抗百分数；。为主磁通，w b ；中。为漏磁通，w b 。显然 从平均意义上来说，漏磁场不大，但不排除由于漏磁场分布不均匀导致的局部过 热【2 l 】。 根据以上漏磁通的路径分析可知，漏磁通的磁阻主要决定于产生它的所有绕 组所占有空间的几何尺寸。而该空间以外的磁路，由于漏磁通发散，磁路截面积 很大，所以经过铁心以及油箱铁磁介质的磁阻很小，因而漏磁通与产生它的磁势 基本上呈线性关系，即可用磁路的欧姆定律加以讨论：漏磁通正比于产生它的磁 势，反比于磁路的磁阻；同时，产生漏磁通的磁势正比于绕组的负载电流和匝数； 磁路的磁阻正比于磁路的长度，反比于磁路的截面积。因此漏磁通正比于绕组的 负载电流和匝数( 即绕组的安匝数) ，并决定于产生它的所有绕组的几何尺寸。 根据变压器的磁势平衡定律可知，变压器一、二次绕组的磁势总是平衡的， 但由于纵绝缘结构要求绕组的起始部分加强绝缘，又或调压线段设于高压侧的缘 故，从而使沿绕组整个高度上一、二次绕组的安匝并不完全处于平衡状态，即在 一些区域内，可能一次绕组的安匝大于二次绕组的安匝。这样，相当于绕组整个 高度上交错的排列着几个等效绕组，各等效绕组的有效安匝等于该区域内一、二 次绕组安匝之差。每一个区域的等效绕组的有效安匝必然与其相邻的另一个或几 个区域的等效绕组有效安匝相平衡。而相互平衡的磁势将产生漏磁通，所以在一、 二次绕组所占据的空间里有一种方向与绕组轴方向相垂直的漏磁通，这种漏磁通 称为横向漏磁通。而漏磁通在绕组所占据空间里流动的方向是与绕组轴向平行 的，通常称为纵向漏磁通，相应的纵向漏磁通所产生的漏抗电势称为纵向漏抗电 势【2 2 】。横向漏磁通和纵向漏磁通如图3 1 和3 2 所示。 1 8 图3 1变压器纵向漏磁图3 2 变压器横向漏磁 山东大学硕士学位论文 横向漏磁通在变压器发生短路情况下，将引起极大的轴向电磁力。因此在变 压器设计时，应尽量减少横向漏磁通。一般在排列绕组线匝时，尽可能使各区域 里一、二次绕组的安匝趋于平衡。一、二次绕组横向安匝平衡程度是变压器设计 质量重要指标之一。 纵向漏磁通也将在绕组中感应出纵向漏抗电势。因此，绕组漏抗电势实际上 包括上述两部分。不过，由于横向漏抗电势比纵向漏抗电势小得多，只有在特大 容量的变压器中才占一定比例，所以在变压器计算中，往往仅计算纵向漏抗电势， 然后再考虑一个横向漏抗电势影响系数。只有对特大容量变压器才计算横向漏抗 电势。 变压器内漏磁场产生的效应： ( 1 ) 损耗效应 变压器各绕组的导体处于漏磁场中，将产生涡流。由于涡流的存在，就使得 电流密度沿导线横截面的分布变得不均匀了，此即电流排挤效应。交变电流在导 线截面里分布不均匀，使得绕组实际电阻比通过直流时的电阻( 欧姆电阻) 大为 增加。由涡流引起的损耗称为涡流损耗，其大小主要决定于导体的几何尺寸和漏 磁场的大小与分布，垂直于漏磁场方向的各层导体中的涡流损耗是不相同的。当 变压器绕组的电流大时，需要采用多根并联导线，各并联导线处于不同大小的漏 o t 磁场中，使各导线的漏磁链和感抗不同，将使绕组的各绝缘导体间出现环流，绕 组的负载损耗将超过欧姆损耗，其增加部分称为环流损耗。除了产生上述两种损 耗外，漏磁场还在变压器的金属结构附件中引发杂散损耗。 ( 2 ) 机械力效应 大型变压器的电磁力及动态机械力也是由于变压器线圈在漏磁场作用下产 生。线圈排列方式、安匝分布、线圈制造误差、绝缘材料的物理参数等都会对电 磁力和动态机械力产生显著影响，而由于线圈在动态力作用下产生的导线的位移 和变形将又影响场源的分布，直接影响动态机械力【2 3 1 。 ( 3 ) 热效应 变压器运行时，绕组、铁心以及其它结构件中产生的损耗几乎全部转化为热 能。变压器在连续满载运行条件下，如果发生短路，稳定短路电流将会很大，绕 组发热量急剧增加，绕组温度也相应增高。 1 9 山东大学硕士学位论文 3 1 2 对变压器漏磁场进行分析的必要性 电力变压器是电力系统输变电的枢纽设备，其安全运行直接关系着电力系统 的可靠性。随着科学技术的发展和生产技术的进步，以及新型电工材料的开发应 用，变压器的单机容量也不断增加，变压器中的漏磁场也随之增大，引起了人们 的关注。 变压器的电磁设计与变压器的漏磁场密切相关。变压器的容量越大，漏磁场 就越强，从而使稳态漏磁场引起的各种附加损耗增加，如设计不当它将造成变压 器的局部过热，使变压器的热性能变坏，最终导致绝缘材料的热老化与击穿。大 型电力变压器如果出现了局部过热，可能引起停运、检修，给制造厂和电网都带 来巨大的损失。在电力系统发生短路时，暂态短路电流产生的漏磁场还可能产生 巨大的机械力，对其绝缘和机械结构造成致命的威胁。为了缓解漏磁场在上述两 方面的影响，必须要对变压器内部的漏磁场进行全面的分析。 由于受数学分析方法的限制，早期研究漏磁场的方法主要有解析法和模拟试 验法，这些方法在建模时均假设漏磁场在轴向是对称的，以便将三维场简化为二 维场，同时认为漏磁感应呈梯形规律分布。为克服解析法误差较大的不足，从2 0 世纪7 0 年代起，人们就将数值方法引入漏磁场的研究领域，使变压器的设计或 计算得到了改进。1 9 7 3 年，a n d e v s e n 首先将有限元法用于变压器的漏磁场计 算。他的计算方法考虑了曲率的影响，取得了较好的效果。但是为了简化计算， 将绕组周围的磁场分布假设为轴向对称的，用计算单柱的轴对称漏磁场来代替对 三相变压器整体漏磁场的计算。此外，在求解漏磁场时，都是从恒定场的微分方 程出发，没有考虑涡流的影响【2 4 1 。 3 2 软件a n s y s 简介 由于变压器绕组漏磁场分布不均匀，边界条件复杂，而且其中的金属结构件 几何形状不规则，因此，以往变压器厂在进行工程计算时，无法具体算出各部位 金属结构件的涡流损耗，只能把它作为附加损耗的一部分，采用简化的解析法进 行估算，其精度很难满足要求。随着计算机技术的发展，电磁场的各种数值计算 方法已日趋成熟，如有限元法、有限差分法和积分方程法等，其中有限元法是目 2 0 山东大学硕士学位论文 前电气工程领域中进行电磁场问题分析的有效工具【2 5 】。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是建立在离散化基础上的数 值计算方法，它具有以下2 个突出优点：( 1 ) 处理内部媒质交界条件非常方便， 尤其是形状复杂的永磁体。在计算过程中，用永磁体边界上的等效面电流代替永 磁体的励磁作用，而不再考虑永磁体的工作点问题，故易于计算各种结构的永磁 电机参数。参数计算准确，算法通用性强。( 2 ) 方法的各个环节统一，程序易于 实现标准化。随着前、后处理技术的发展，已逐步形成了一些功能齐全、便于操 作的通用或专用软件。这两个优点使得有限元法适宜计算变压器内部的电磁场分 布情况【2 6 l 。 据介绍，目前全球最著名的1 2 个有限元软件中，a n s y s 各项指标均名列 前茅 2 7 1 。因此本文选择a n s y s 软件来对变压器产品进行电场和磁场的分析。 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件， 它广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通- 国防、军工、电子、土木、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工 业及科学研究中【2 8 】、【3 们。a n s y s 可用来分析电磁领域多方面的问题，如电感、电 容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线、力、运动效应、电路和能量损耗等。 可用来有效的分析诸如电力发电机、变压器、电动机、传感器等。软件提供了丰 皇。 富的线性和非线性材料的表达式，包括各向同性或各向异性的磁导率，材料的 b h 曲线和永磁体的退磁曲线，后处理功能允许用户显示磁力线、磁通密度并进 行力、力矩、端电压和其它参数的计算。电场方面可以进行电流传导、静电分析 和电路分析，可以求解的典型物理量有电力密度、电场强度、电势分布、电通量 密度，传导电流产生的焦耳热、储能、力、电容、电流及电势降等。该软件的另 一个主要优点是耦合场分析功能磁场分析的耦合载荷可被自动耦合到结构、 流体及热单元上，在对电路耦合器件的电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体 或电源，同时也可计及运动的影响【3 lj 。 a n s y s 分析电磁场问题时，必须从3 个方面进行考虑： ( 1 ) 维数在满足精度要求和条件下，尽可能按二维场处理，三维场的 计算消耗过大的计算机存储； ( 2 ) 场的类型若场仅由恒定源产生，则看作为静态场。若场是正弦交 2 1 山东大学硕士学位论文 流且频率较低时，可用时谐场来处理。瞬态场是指场量随时间的变化完全是任意 的。 ( 3 ) 有限元方法传统的有限元法均是基于节点法的，即每一个节点均 有若干个自由度，对这些节点的自由度列出有限元方程，然后求解，其直观性较 好【3 2 1 。 a n s y s 软件包含预处理、解题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、 计算机图形学和优化技术相结合，它是目前应用较多的有限元分析软件之一。分 析软件应用的整个过程可以采用交互式的方法，通过鼠标和菜单完成。但是，如 果模型参数变化，则要重复执行上述步骤，操作相当复杂。a n s y s 自带的参数化 设计语言a p d l 可以实现参数化建模分析，用特定的语言进行编程计算【3 3 1 ，避免 了重复操作。而且对于永磁电机的磁场分析来说，编程计算有利于系统地考虑各 个环节。但是a p d l 不提供图形化界面输入，不熟悉a n s y s 软件的人并不能轻松 的使用它【3 4 】。 用a n s y s 分析问题时必须建立一个有限模型( 因有限元只分析闭域问题) ， 在模型的外边界强加边界条件，再对模型进行求解。用a n s y s 分析问题时，若 不强加零边界条件，也可用无限远单元近似模拟实际问题进行计算，即无限单元 法。该方法的分析结果与所建模型的大小有关，一般推荐无限远单元与内部模型 的大小近似相等，以该方法建立的模型最外面的一层单元需要用无限远单元来模 拟无限大空间。通过比较发现，用无限单元法分析计算时，所得计算结果受所建 分析模型的大小影响较大。随着计算精度的提高，分析模型迅速增大，由此带来 的计算量则成倍增加。当对计算精度要求不高时，可以考虑采用该方法。当对计 算精度要求较高时，则需采用强加零边晃法，此种方法是在分析模型的外边界直 接加零边界，将场分布限制在所建分析模型的内部，根据实际问题建立合适的分 析模型，即可求得较好的分析结果。由此可见，强加零边界法较适用于高压变压 器电场的分析和计算，而无限单元法则不适于分析这种问题【3 5 1 。本文采用强加零 边界法。 3 3 变压器漏磁场分析 变压器的结构十分复杂，见图3 3 ，其电磁场分布具有三维特征，但是用三 山东大学硕士学位论文 维分析建立包含绕组内部故障的变压器电磁分析，并用于对内部故障的鉴定是不 现实的，因为三维分析的计算量非常大，所以本文采用二维分析。 低压绕组 高压绕组 图3 3 三相变压器示意图 决定变压器漏磁场的主要因素是线圈电流、铁心、箱壁。从安装位置上看， 压板和夹件对漏磁场的整体改变不大，只是对线圈端部附近的磁场有局部的影 响。因此，漏磁场模型中将不考虑压板和夹件的影响。铁心材料导磁性能的的非 线性和各向异性对