基于ansof的变压器漏磁场及温度场计算

基于ansof的变压器漏磁场及温度场计算

1杂散损耗分析在大型能源压力器中，带组电压泄漏的磁体损坏，包括带、油、地板等。这些损失是压力电压损失的一部分。由于金属结构的分布不均，集中在小规模区域的损失往往会导致组件中的局部过热。因此,杂散损耗已成为对变压器性能考核的一个重要指标。为了降低杂散损耗,防止局部过热,需要对变压器绕组结构件内的漏磁分布、涡流分布和结构件杂散损耗以及其产生的热效应等进行准确的计算。Ansoft作为一种通用的有限元分析软件,为变压器漏磁场及温度场的求解提供了方便条件。通过合理地建立模型和求解可以得到变压器油箱及夹件、拉板等各结构件的漏磁场分布及各点温度。本文中笔者建立了电力变压器三维涡流场模型,应用Ansoft计算了漏磁场在各结构件中产生的涡流及损耗,并分析了其分布特点。在此基础上给出了利用ePhysics3.1热分析软件计算变压器结构件中温度场分布的方法,并对各结构件中的温度场计算结果进行了讨论分析。2180vma-220kv变量泄漏磁体的计算和分析2.1金元时期选线泄漏2.1.1变压器模型假设以一台型号为SFPZ11-180MVA/220kV型变压器为分析对象,根据变压器结构的对称性以及电磁场分布的对称特性,对计算变压器模型作了如下假设:(1)变压器在结构上对称,箱体对于三绕组中心平面前后对称,计算模型取整个变压器模型的1/2。(2)忽略铁心内涡流、高低压绕组内的环流和金属结构材料的磁滞特性对漏磁场的影响。在磁密很小的情况下,导磁材料中磁滞损耗所占的比例很小,因此可忽略铁心硅钢片和各金属结构件材料的磁滞特性以及磁滞损耗。(3)忽略位移电流的影响。变压器漏磁场有限元计算模型如图1所示。2.1.2磁导率的确定变压器结构件材料属性如表1所示。假定铁心中的磁场不饱和,其磁导率按硅钢片磁化曲线的线性段给出。不考虑铁心的涡流损耗,电导率给定为0。油箱材料忽略磁性能的非线性,按线性处理。2.1.3有限元分析的应用铁磁材料处于交变磁场时,其内部将感应涡流,但磁场和电场主要集中在材料的表面,导体材料的透入深度δ按下式计算:式中σ为电导率,μ为磁导率,ω为角频率。工频下根据计算模型材料属性,油箱材料透入深度为1mm左右,此时剖分单元长度要小于透入深度,以致得到较精确的计算结果。应用Maxwell2D/3D自适应网格分析,系统进行迭代求解,对最大误差存在的区域进行网格细化,得到较高的网格密度,从而得到更加准确的解。在每次迭代时,Maxwell2D/3D会计算系统的总能量,由求解误差得到能量百分比,因而通过检查能量百分比来确定求解是否结束,或最近两次误差百分比的变化量是否达到指定值。2.2计算和分析建于代理的涡流损失2.2.13d漩涡场损失计算方法对于铁磁构件,其涡流区域的损耗可以在漏磁场后处理中通过以下公式计算:式中Je———涡流密度pe———涡流损耗2.2.2拉板表面漏磁通密度的分布对SFPZ11-180MVA/220kV型变压器计算模型通过Maxwell3D漏磁场计算后得到的结构件的涡流以及损耗分布如图2~图4所示。由图2~图4可以看出:(1)油箱的涡流及其损耗的分布受到透入深度的影响,主要集中在内表面上与绕组对应的范围内。(2)由于高低压绕组端部对应的面上漏磁场强度比较大,铁轭夹件的涡流及其损耗主要集中在此处。(3)铁心拉板的涡流及损耗主要集中在绕组端部相应的位置。图5为拉板表面漏磁通密度沿高度的分布。由图5可看出,在绕组两端对应的高度处拉板的漏磁通密度比较大,绕组中部位置最小。因此,拉板最大涡流密度主要集中在与绕组两端对应的部位。各结构件中的涡流损耗计算值如表2所示。3热分析的过程通过涡流场的计算可以得到变压器有关的结构件,如拉板、夹件及油箱等各表面磁场强度和磁感应强度。通过进一步计算,求得变压器油箱、拉板和夹件等的涡流损耗。利用电磁场仿真分析软件Maxwell12.2与温度场仿真分析软件ePhysics3.1进行直接耦合计算,得到结构件温度分布以及热点温度。此方法可以直接将Maxwell中计算的涡流损耗映射到ePhysics3.1中的温度场求解器中进行热分析,并且操作简单、使用方便。本文中笔者主要分析了三相五柱变压器拉板、夹件及油箱等结构件中的温度分布。在分析过程中,由于变压器为强迫油循环风冷变压器,油温度沿高度方向的分布比较均匀,因此忽略高度方向温度变化,近似认为温度均匀分布。本文中取油对空气的平均温升为34K,空气温度取20℃。变压器温度场模型基本假设与条件:(1)只考虑变压器油箱稳态时的温度场。(2)变压器各个部件铁磁材料的性质不随温度的变化而变化。这时耦合场的分析是“单向”耦合。3.1附加损耗的特性变压器在运行时,产生的损耗包括:导线损耗、铁心损耗和附加损耗等。这些损耗以热量的形式向周围的空气或油散出,并使变压器各部分温度升高。本文中将涡流场中计算得到的各结构件的涡流损耗作为发热源映射到温度场中进行计算。3.2热参数的确定变压器温度场仿真分析的热参数包括材料导热系数、冷却介质与变压器部件接触边界的散热系数。3.2.1清热系数的确定变压器材料导热系数见表3。3.2.2对流传热分析对流传热现象(表面散热)是很复杂的物理过程,其强度不仅取决于流体运动的性质、运动速度和固体表面的形状,还取决于流体的物理性质。变压器中产生的热量以传导的方式传到铁心、绕组以及其他结构件表面后,由流过表面的流体把热量带走。对流换热过程和流体的流动情况、流速、密度、比热容、粘度和导热系数有关。对流过程所传递的热流量为:其中,h是对流换热系数(W/m2·℃);tw和tf分别为流体和壁面温度。对流散热主要取决于两种介质之间的温差、对流换热系数和换热面积。由于箱壁的几何形状比较规则,自然对流换热系数h采用均值对计算结果影响不大,由下式得:其中,H为箱壁高度;Grm为葛拉晓夫数;PR为普朗特数;C和n为常数;λ为空气导热系数。变压器油与箱体内表面及各个结构件面的对流换热属于受迫对流换热,可以用式(6)计算得到:其中,c为变压器油的比热容,k为变压器油的导热系数,Hk取0.15;v为循环油的平均速度。3.3拉板及油的温度分布通过ePhysics中稳态温度场分析得到的SF-PZ11-180MVA/220kV型三相五柱变压器的油箱、拉板及夹件等结构件的温度场分布如图6~图8所示。从图中可看出变压器油箱、夹件及拉板上的温度分布,并可得到如下几点结果:(1)图6中,油箱上的热点温度出现在油箱中间部位,出现此现象是因为此处漏磁场强度最大,产生的涡流密度和涡流损耗也最大,如图2所示。油箱对油的最大温升为30.35K。(2)图7中,夹件的最高温度出现在高低压绕组端部对应的面上,是因为绕组端部处的漏磁场强度比较大,对应位置的夹件上的涡流密度也大,如图3所示,夹件对油的最大温升为23.43K。(3)图8中,拉板的较高温度主要出现在绕组端部位置,因为此处的涡流密度最大,产生的涡流损耗也最大。图9给出了沿轴向高度方向拉板温度分布。拉板最热点温度出现在绕组端部对应的位置,对油的最大温升为13.72K。4仿真结果分析本文中笔者应用ePhysics3.1的稳态热分析功能,将Maxwell与ePhysics3.1结合对三相五柱式电力变压器结构件中的热量进行了计算分析,并得到了如下几点结论:(1)ePhysics3.1软件对三相变压器结构件温度场的仿真结果与理论分析相符,说明了仿真分析方法的正确性。(2)漏磁场