干式整流变压器电磁设计研究

蔡钿, 池波



干式整流变压器电磁设计研究

蔡钿, 池波

(中海油田服务股份有限公司，北京 101149 )

常用干式变压器的主要特点有：防潮、防爆、损耗小、抗噪能力强、抗短路能力强等特点，可用于船用电力推进系统电力配套。在干式变压器设计中电磁设计和热设计中，准确分析出干式变压器的电磁场分布具有十分重要的作用。本文主要是根据某型干式变压器的参数，利用Ansys有限元仿真软件，结合已有的电磁场理论，建立合理的干式变压器数学仿真模型，利用此模型模拟了干式变压器的漏磁场分布，并计算了变压器的横向漏磁。

干式变压器 有限元 漏磁场

0 引言

在干式变压器工程设计中变压器的漏磁场分布是其中一项主要参数，干式变压器容量的大小直接影响了漏磁场的大小。当变压器容量由小变大时，漏磁场的强度也会由弱变强，这会造成变压器各项附加损耗增大。在干式变压器电磁设计中有两方面主要影响：一方面，若电磁设计不当，直接影响变压器的内部温升，使局部温升过高，导致变压器的热性能被破坏，轻则使变压器绝缘材料热老化，重则使变压器绝缘材料直接击穿；另一方面，在电力系统出现短路故障时会产生短路电流，该段路电流会导致漏磁场的产生，此时的漏磁场比普通漏磁场大很多，因此会造成较大的机械力，对干式变压器的绝缘和性能有很大的影响。综上所述，在干式变压器工程设计中变压器的漏磁场计算与仿真有很大的必要性。

1 电磁场有限元法基本原理

根据基尔霍夫第二定律，一次侧的电势平衡方程式应为：

如果所有各量均随时间按正弦变化，式（4）便可写成复数形式：

ANSYS仿真软件中所使用到的有限元分析在电磁场分析中起着重要作用。在电磁场分析中，有限差分析法先于有限元分析法得到应用。有限差分析法是直接求电磁场的基本方程，该分析法首先将求解区域分成规则或不规则的网格，然后根据网格的结点利用差分方程近似微分方程，形成离散化的差分方程组并求解之[4,5]。

2 基于ANSYS的电磁场有限元分析

ANSYS仿真软件可用于结构设计、流体分析、电磁场分析等领域，将有限元分析、计算机图形学和优化技术紧密结合起来，是目前有限元分析软件中运用最为广泛的一款软件。该仿真软件主要分为：前处理、分析求解和后处理三大部分，其具体求解如图1所示。

3 电磁设计中漏磁场的分析与仿真

3.1 干式变压器的技术参数

本文所涉及到的干式变压器具体参数如下：

额定容量：4000 kVA；额定电压：690 V；变比：6.6±2×2.5％/1.98 kV；连接组别：Dyn11；铁芯直径：345 mm；铁芯窗高：1060 mm。

根据实际技术要求，本台干式变压器使用箔 式绕组，使用树脂浇注。具体箔式绕组的参数如表1。高压绕组与低压绕组内部每一层即为一匝，由表1中数据可以看到低压绕组为厚度是0.3 mm的铜箔，高压绕组为厚度是1.4 mm的铜箔。低压绕组有两个宽度为10 mm的气道，高压绕组由一个宽度为15 mm的气道，两者之间相差120 mm。

在分析中需要了解各个材料的物理属性参数，本文研究的是箔式绕组的树脂浇注干式变压器，各种材料属性参数见表2 所示。

3.2 变压器电磁场数值分析模型

本文所涉及到的干式变压的漏磁场分布为三维漏磁场，三相内部线圈如若同时利用ANSYS仿真软件建模分析计算所需时间较长，而且在建立仿真模型时较为复杂。因此本文中的干式变压器在仿真时，利用了干式变压器三相内部结构的相似性，将三维仿真模型简化为二维仿真模型进行磁场仿真计算，在建立模型时，可以仅对其中任意某一相绕组进行建模分析，具体干式变压器二维结构如图2所示。

3.3 漏磁场的仿真分析

本文仿真计算出了箔式绕组环氧浇注干式变压器的漏磁场。由下图仿真结果可以看出，该干式变压器绕组的中间部分主要是沿着轴向分布的，而漏磁场主要是集中在低压绕组和高压绕组之间。越是靠近两个绕组的两个端部，漏磁场的方向发生变化越明显。该变压器的漏磁分为两路：一路由绕组内部进入铁芯构成闭合回路；另一路向外由绕组外侧构成闭合回路。

3.4 变压器的横向漏磁分布

本文所研究的干式变压器所使用的箔绕组是相对较大的块状单体，其横向漏磁是不应忽视的。一般在变压器工程设计中，主要考虑的是变压器的纵向漏磁分量，对横向漏磁分量容易忽视。在实际变压器工作时，变压器的横向漏磁分量会随着变压器容量的增大而增大，这样因横向漏磁分量造成的横向涡流损耗也会随之变大。

因此，在干式变压器设计中，其横向漏磁的计算与分析是不容忽视的。

图3至图6依次为低压绕组和高压绕组的横向漏磁仿真图，根据该四个仿真结果可以看出，干式变压器的高压绕组、低压绕组的内径和外径其绕组的横向漏磁在两端都比中间大。因此可以得出横向漏磁主要是沿轴向从绕组的两端相中间逐渐减小的，在两端处最大，而中间处最小。

出现该分部的主要原因是：干式变压器的磁力线在绕组内部主要是平行于轴向分部的，但在两端时磁力线会发生偏折，若高压绕组和低压绕组高度不同，磁力线的偏折会更加明显，这样会造成横向漏磁更大。由于干式变压器中大多数平行于轴向分部的磁力线都会发生偏折，这样就会使干式变压器的横向漏磁密度大大增大，最终导致绕组两端的涡流损耗变大。

4 结论

本文建立了干式变压器的基本仿真模型，根据干式变压器的简化结构模型，结合磁场理论，采用有限元法建立了干式变压器的漏磁场数学模型，用此模型模拟了干式变压器的漏磁场分布，并计算了干式变压器的横向漏磁。根据Ansys软件分析得出的干式变压器的横向漏磁分布，进行进一步的分析，得到了产生该横向漏磁场的原因，为干式变压器的工程设计与结构优化提供了相关依据。

[1] 陈玉庆. 大型变压器漏磁场、电场和应力有限元分析:[硕士论文].山东: 山东大学，2009:3-44.

[2] 王建民，王宇翔，韩冬杰.箔式变压器绕组漏磁场及其特性参数的数值分析[J] .变压器，2010,47(10):1-4.

[3] 王建民，景崇友，武卫革，孙优良等. 特高压干式平波电抗器电流分布和漏磁场特性的数值分析[J] .变压器，2010,47(8):20-23.

[4] 谢彼岸，饶柱石，朱子述. 大型变压器绕组有限元建模与分析[J].振动与冲击，2006,25(2):134-137.

[5] 罗隆福，肖华，俞华. 基于新型换流变压器的12相整流和谐波分析[J].电力系统及其自动化学报，2006,18(6):26-31.

[6] 刘国强，赵凌志，蒋继娅.ANSYS工程电磁场有限元分析[M].北京：电子工业出版社，2005:201-245.

[7] 陈玉庆,蔡斌.大型电力变压器漏磁场的ANSYS有限元分析[J].电气时代，2008,11(1):27-30.

[8] 王世山，王德林，等.大型有限元软件ANSYS在电磁领域的使用[J].高压电器，2008,38(3):63-68.

[9] 张磊，周静，等. ANSYS软件在变压器磁场分析中的应用[J].电气时代，2009，1(1):84-85.

[10] 景崇友，王建民等.大型变压器漏磁场及特性参数的工程仿真软件研发[J].变压器，2008,45(4):1-5.

Research and Design of Electromagnetic Field for Dry-type Rectifier Transformer

Cai Tian, Chi Bo

（China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China）

TM412

A

1003-4862（2014）11-0044-04

2014-08-25

蔡钿(1962-), 男，教授级高级工程师。研究方向：海洋工程装备。