基于ansof的變壓器漏磁場及溫度場計算

1雜散損耗分析在大型能源壓力器中，帶組電壓泄漏的磁體損壞，包括帶、油、地板等。這些損失是壓力電壓損失的一部分。由于金屬結(jié)構(gòu)的分布不均，集中在小規(guī)模區(qū)域的損失往往會導(dǎo)致組件中的局部過熱。因此,雜散損耗已成為對變壓器性能考核的一個重要指標(biāo)。為了降低雜散損耗,防止局部過熱,需要對變壓器繞組結(jié)構(gòu)件內(nèi)的漏磁分布、渦流分布和結(jié)構(gòu)件雜散損耗以及其產(chǎn)生的熱效應(yīng)等進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。Ansoft作為一種通用的有限元分析軟件,為變壓器漏磁場及溫度場的求解提供了方便條件。通過合理地建立模型和求解可以得到變壓器油箱及夾件、拉板等各結(jié)構(gòu)件的漏磁場分布及各點溫度。本文中筆者建立了電力變壓器三維渦流場模型,應(yīng)用Ansoft計算了漏磁場在各結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生的渦流及損耗,并分析了其分布特點。在此基礎(chǔ)上給出了利用ePhysics3.1熱分析軟件計算變壓器結(jié)構(gòu)件中溫度場分布的方法,并對各結(jié)構(gòu)件中的溫度場計算結(jié)果進(jìn)行了討論分析。2180vma-220kv變量泄漏磁體的計算和分析2.1金元時期選線泄漏2.1.1變壓器模型假設(shè)以一臺型號為SFPZ11-180MVA/220kV型變壓器為分析對象,根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)的對稱性以及電磁場分布的對稱特性,對計算變壓器模型作了如下假設(shè):(1)變壓器在結(jié)構(gòu)上對稱,箱體對于三繞組中心平面前后對稱,計算模型取整個變壓器模型的1/2。(2)忽略鐵心內(nèi)渦流、高低壓繞組內(nèi)的環(huán)流和金屬結(jié)構(gòu)材料的磁滯特性對漏磁場的影響。在磁密很小的情況下,導(dǎo)磁材料中磁滯損耗所占的比例很小,因此可忽略鐵心硅鋼片和各金屬結(jié)構(gòu)件材料的磁滯特性以及磁滯損耗。(3)忽略位移電流的影響。變壓器漏磁場有限元計算模型如圖1所示。2.1.2磁導(dǎo)率的確定變壓器結(jié)構(gòu)件材料屬性如表1所示。假定鐵心中的磁場不飽和,其磁導(dǎo)率按硅鋼片磁化曲線的線性段給出。不考慮鐵心的渦流損耗,電導(dǎo)率給定為0。油箱材料忽略磁性能的非線性,按線性處理。2.1.3有限元分析的應(yīng)用鐵磁材料處于交變磁場時,其內(nèi)部將感應(yīng)渦流,但磁場和電場主要集中在材料的表面,導(dǎo)體材料的透入深度δ按下式計算:式中σ為電導(dǎo)率,μ為磁導(dǎo)率,ω為角頻率。工頻下根據(jù)計算模型材料屬性,油箱材料透入深度為1mm左右,此時剖分單元長度要小于透入深度,以致得到較精確的計算結(jié)果。應(yīng)用Maxwell2D/3D自適應(yīng)網(wǎng)格分析,系統(tǒng)進(jìn)行迭代求解,對最大誤差存在的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,得到較高的網(wǎng)格密度,從而得到更加準(zhǔn)確的解。在每次迭代時,Maxwell2D/3D會計算系統(tǒng)的總能量,由求解誤差得到能量百分比,因而通過檢查能量百分比來確定求解是否結(jié)束,或最近兩次誤差百分比的變化量是否達(dá)到指定值。2.2計算和分析建于代理的渦流損失2.2.13d漩渦場損失計算方法對于鐵磁構(gòu)件,其渦流區(qū)域的損耗可以在漏磁場后處理中通過以下公式計算:式中Je———渦流密度pe———渦流損耗2.2.2拉板表面漏磁通密度的分布對SFPZ11-180MVA/220kV型變壓器計算模型通過Maxwell3D漏磁場計算后得到的結(jié)構(gòu)件的渦流以及損耗分布如圖2~圖4所示。由圖2~圖4可以看出:(1)油箱的渦流及其損耗的分布受到透入深度的影響,主要集中在內(nèi)表面上與繞組對應(yīng)的范圍內(nèi)。(2)由于高低壓繞組端部對應(yīng)的面上漏磁場強度比較大,鐵軛夾件的渦流及其損耗主要集中在此處。(3)鐵心拉板的渦流及損耗主要集中在繞組端部相應(yīng)的位置。圖5為拉板表面漏磁通密度沿高度的分布。由圖5可看出,在繞組兩端對應(yīng)的高度處拉板的漏磁通密度比較大,繞組中部位置最小。因此,拉板最大渦流密度主要集中在與繞組兩端對應(yīng)的部位。各結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗計算值如表2所示。3熱分析的過程通過渦流場的計算可以得到變壓器有關(guān)的結(jié)構(gòu)件,如拉板、夾件及油箱等各表面磁場強度和磁感應(yīng)強度。通過進(jìn)一步計算,求得變壓器油箱、拉板和夾件等的渦流損耗。利用電磁場仿真分析軟件Maxwell12.2與溫度場仿真分析軟件ePhysics3.1進(jìn)行直接耦合計算,得到結(jié)構(gòu)件溫度分布以及熱點溫度。此方法可以直接將Maxwell中計算的渦流損耗映射到ePhysics3.1中的溫度場求解器中進(jìn)行熱分析,并且操作簡單、使用方便。本文中筆者主要分析了三相五柱變壓器拉板、夾件及油箱等結(jié)構(gòu)件中的溫度分布。在分析過程中,由于變壓器為強迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器,油溫度沿高度方向的分布比較均勻,因此忽略高度方向溫度變化,近似認(rèn)為溫度均勻分布。本文中取油對空氣的平均溫升為34K,空氣溫度取20℃。變壓器溫度場模型基本假設(shè)與條件:(1)只考慮變壓器油箱穩(wěn)態(tài)時的溫度場。(2)變壓器各個部件鐵磁材料的性質(zhì)不隨溫度的變化而變化。這時耦合場的分析是“單向”耦合。3.1附加損耗的特性變壓器在運行時,產(chǎn)生的損耗包括:導(dǎo)線損耗、鐵心損耗和附加損耗等。這些損耗以熱量的形式向周圍的空氣或油散出,并使變壓器各部分溫度升高。本文中將渦流場中計算得到的各結(jié)構(gòu)件的渦流損耗作為發(fā)熱源映射到溫度場中進(jìn)行計算。3.2熱參數(shù)的確定變壓器溫度場仿真分析的熱參數(shù)包括材料導(dǎo)熱系數(shù)、冷卻介質(zhì)與變壓器部件接觸邊界的散熱系數(shù)。3.2.1清熱系數(shù)的確定變壓器材料導(dǎo)熱系數(shù)見表3。3.2.2對流傳熱分析對流傳熱現(xiàn)象(表面散熱)是很復(fù)雜的物理過程,其強度不僅取決于流體運動的性質(zhì)、運動速度和固體表面的形狀,還取決于流體的物理性質(zhì)。變壓器中產(chǎn)生的熱量以傳導(dǎo)的方式傳到鐵心、繞組以及其他結(jié)構(gòu)件表面后,由流過表面的流體把熱量帶走。對流換熱過程和流體的流動情況、流速、密度、比熱容、粘度和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。對流過程所傳遞的熱流量為:其中,h是對流換熱系數(shù)(W/m2·℃);tw和tf分別為流體和壁面溫度。對流散熱主要取決于兩種介質(zhì)之間的溫差、對流換熱系數(shù)和換熱面積。由于箱壁的幾何形狀比較規(guī)則,自然對流換熱系數(shù)h采用均值對計算結(jié)果影響不大,由下式得:其中,H為箱壁高度;Grm為葛拉曉夫數(shù);PR為普朗特數(shù);C和n為常數(shù);λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。變壓器油與箱體內(nèi)表面及各個結(jié)構(gòu)件面的對流換熱屬于受迫對流換熱,可以用式(6)計算得到:其中,c為變壓器油的比熱容,k為變壓器油的導(dǎo)熱系數(shù),Hk取0.15;v為循環(huán)油的平均速度。3.3拉板及油的溫度分布通過ePhysics中穩(wěn)態(tài)溫度場分析得到的SF-PZ11-180MVA/220kV型三相五柱變壓器的油箱、拉板及夾件等結(jié)構(gòu)件的溫度場分布如圖6~圖8所示。從圖中可看出變壓器油箱、夾件及拉板上的溫度分布,并可得到如下幾點結(jié)果:(1)圖6中,油箱上的熱點溫度出現(xiàn)在油箱中間部位,出現(xiàn)此現(xiàn)象是因為此處漏磁場強度最大,產(chǎn)生的渦流密度和渦流損耗也最大,如圖2所示。油箱對油的最大溫升為30.35K。(2)圖7中,夾件的最高溫度出現(xiàn)在高低壓繞組端部對應(yīng)的面上,是因為繞組端部處的漏磁場強度比較大,對應(yīng)位置的夾件上的渦流密度也大,如圖3所示,夾件對油的最大溫升為23.43K。(3)圖8中,拉板的較高溫度主要出現(xiàn)在繞組端部位置,因為此處的渦流密度最大,產(chǎn)生的渦流損耗也最大。圖9給出了沿軸向高度方向拉板溫度分布。拉板最熱點溫度出現(xiàn)在繞組端部對應(yīng)的位置,對油的最大溫升為13.72K。4仿真結(jié)果分析本文中筆者應(yīng)用ePhysics3.1的穩(wěn)態(tài)熱分析功能,將Maxwell與ePhysics3.1結(jié)合對三相五柱式電力變壓器結(jié)構(gòu)件中的熱量進(jìn)行了計算分析,并得到了如下幾點結(jié)論:(1)ePhysics3.1軟件對三相變壓器結(jié)構(gòu)件溫度場的仿真結(jié)果與理論分析相符,說明了仿真分析方法的正確性。(2)漏磁場