油浸式三相变压器短路状态下电磁场数值模拟

油浸式三相变压器短路状态下电磁场数值模拟
周杰联;李德波;冯永新;钟俊;罗容波;王庆斌
【摘要】为准确确定变压器油箱中的油流运动,采用ANSYS Maxwell 3D软件对110 kV的油浸式三相电力变压器在短路状态下的三维瞬态电磁场进行数值模拟.数值模拟得到了电磁场的分布、绕组受到的电磁力的大小以及产生的电磁损耗,结果表明:U相短路时,调压绕组受到的合力为正值,随着时间的增加,合力的大小呈现降低的趋势;高压线圈的欧姆损耗的值最大,随着时间的变化,欧姆值逐渐减小.%In order to correctly determine oil flow motion in the transformer oil tank,this paper uses ANSYS Maxwell software to conduct numerical simulation on 3D transient electromagnetic field of the oil-immersed three-phase transformer in short-circuit condition and obtains distribution of the electromagnetic field,electromagnetic force on winding and electromagnetic loss.Results indicate that at the time of U phase short-circuit,joint force on regulating winding is positive and with increase of time,the force decreases.In addition,ohmic loss value of the high tension coil is the largest while with changing of time,ohmic loss value gradually decreases.
【期刊名称】《广东电力》
【年(卷),期】2017(030)002
【总页数】5页(P97-101)
【关键词】油浸式;电力变压器;短路状态;瞬态
【作者】周杰联;李德波;冯永新;钟俊;罗容波;王庆斌
【作者单位】广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网
有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学
研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司佛山供电局,广东佛山528000;广东电网有限责任
公司云浮供电局,广东云浮527300
【正文语种】中文
【中图分类】TM411;TM153
随着电压等级的大幅提升，变压器作为电力系统主要载体之一，其安全稳定运行关系着电网的整体抗风险能力。

如何保证变压器长期处于良好的工作状态一直是电力设备管理的重中之重。

近些年，电网系统屡次发生因外部短路冲击造成主变压器重瓦斯保护跳闸、压力释放阀动作喷油等。

当因外部电路短路而造成电流冲击时，绕组导线中所通过的短路电流数值可达到额定数值的15～20倍[1]。

变压器在极短
的时间之内将产生较大的电磁力和电磁损耗。

在电磁力的作用下，绕组可能会发生振动，从而影响油箱中的油流运动，产生油流涌动。

要准确确定油箱中的油流运动，需要对变压器在短路状态产生的电磁场强度分布、绕组受到的电磁力以及油流的温升有精确的了解。

要进行变压器中绕组的受力计算，首先应对变压器短路时的电磁场进行精确的计算。

因此，有限元法在很早就被引入到了变压器的磁场分析中[2-3]。

对于变压器的损
耗计算，常用的计算手段是解析公式[4]和半经验公式[5]的时域法，以及正交分解
合成法[5]；在采用计算机辅助分析方面，一般也都是采用2D有限元法[6]。

这些
方法都能在一定程度上解决工程问题，但其计算结果适用性比较小，提供的数据难
以支持进一步的变压器振动或油流涌动的分析。

针对此种大型变压器的三维电磁场求解的分析较少，主要影响因素包括：大型变压器的模型比较复杂；材料的非线性特性难以获得；求解的计算量比较大，效率难以得到满足。

对此，本文以110 kV 的油浸式三相电力变压器为对象，分析其在短路状态下的三维瞬态磁场，并根据电磁场的计算结果，得到了绕组上受到的电磁力以及产生的电磁损耗。

1.1 变压器模型
本文分析的电力变压器等级为110 kV，额定容量40 MVA，铭牌和结构参数见表1。

变压器内部铁心采用冷轧硅钢片叠压制成，计算采用Maxwell自带变压器铁心基
元模型。

该模型主要将繁琐的建模操作简化为变压器的几何模型，传统的建模需要在专用的三维CAD软件实现模型的建立，而Maxwell自带的变压器铁心基元模
型只需要输入相应的结构参数，就可以实现铁心、绕组几何模型的建立，同时具有几何建模的能力，对于无法通过Maxwell软件调用的几何模块，可以手工建模，
显著提高了变压器建模的效率。

变压器线圈采取饼式结构，其中高压线圈共92饼，每饼有15匝线圈；中压线圈共76饼，每饼有6匝线圈；低压线圈共100饼，每饼有1匝线圈；调压线圈共9饼，每饼有1匝线圈。

由于变压器的外形尺寸较大，内部结构复杂，建模过程中采用了Maxwell自带基
元对铁心和线圈建模，可提高工作效率。

1.2 材料与网格参数
Maxwell基于有限元算法，将整个求解区域离散化，分割成许多小的区域，称之
为“单元”或“有限元”。

由此，网格剖分的质量将直接影响计算结果的精度。

而变压器外形尺寸较大，内部结构复杂，给网格剖分带来极大挑战。

计算采用Maxwell静态场具备的自适应网格剖分功能与动态网格导入功能，将静态自适应
网格应用到瞬态磁场中进行计算。

这种方法不仅提高工作效率，而且提高了可操作
性与计算结果的可信度。

模型剖分网格量在150万左右，所采用的三维网格剖分
单元是有限元理论中最为稳定的四面体二阶单元，最终得到的网格图如图1所示，材料参数见表2。

铁心的材料参数，如铁心导磁特性、损耗特性，具有非线性特性。

数值模拟计算采用 Maxwell 自带的图片捕捉工具，直接读取电子图片中曲线，省去纸质的手动描点，大大简化了工作繁琐程度。

1.3 载荷和边界条件
变压器三相绕组高、中、低压电流分别为190.9 A、599.8 A、2 200 A(变压器铭
牌数据参数)，其中中压绕组工作时起调压作用，调压线圈不在工作状态。

工况为
单相高、中压绕组短路，计算时以U相高、中压绕组短路瞬态过程进行电磁瞬态
分析，各相绕组电流施加具体参数设置见表3。

本次求解过程中，应用了以下2类边界条件：
a) 诺依曼边界条件。

式中：φ为某个变量，比如磁通量密度或磁场强度；τ为诺依曼边界；n为边界Γ
的外法线矢量；f(τ)和h(τ)为一般函数，可以为常数和零，当为零时称齐次诺依曼边界条件。

一般电磁场问题中将诺依曼边界条件称为第二类边界条件，它规定了边界处的法向导数分布，在Maxwell计算中提到的齐次诺依曼边界条件，即法向导
数为零，为默认边界条件，不需要用户指定。

b) 自然边界条件。

媒质分解面上的边界条件，即不同媒质交界面场强的切向和法
向边界条件，属于自然边界条件，在Maxwell计算中是系统的默认边界条件，不
需要用户指定。

在本文的数值模拟中，采用诺依曼边界条件。

将式(1)的微分方程采用有限元方法
进行数学离散计算，即可计算获得空间各点的磁通量密度和磁场强度的分布，由此即可计算其余各相关的物理量。

ANSYS依据Maxwell应力张量法和虚功法计算绕
组所受电磁力。

计算时，使用1台32核、128 G内存配置的服务器，采用了高性能计算(high performance computing，HPC)并行计算进行求解，16核同时运行，提高计算效率。

对于受力矩阵的添加和受力的输出，采用C语言，通过接口进行了自动化处理，降低了计算的繁琐程度。

电磁计算的主要目的是对变压器各相绕组各饼的受力进行分析，在基本计算量的基础上，添加了800多个受力计算矩阵。

由于变压器模型复杂，各相各等级绕组饼数达800多饼，每饼受力数据为80多组，计算量非常多。

为了避免提取的结果太多，不便于后续进行变压器的振动、温升等分析，因此结果提取时对每相各等级绕组做了简化求和处理。

在本文数据处理中，对于热源是按每极每相线圈提取一个总的损耗值，而并非是按每饼提取的，也就是没有考虑每饼之间的损耗差异。

通过进行三维瞬态的电磁场分析，可以获得大量的计算结果。

总的来说，主要包括3方面的结果：场量计算结果、损耗计算结果和受力计算结果。

2.1 电磁场分布
由于进行的是三维瞬态电磁场分析，因此可以得到变压器及其周围全部空间内的场强随时间的变化，图2—5给出了仿真计算时间为2.5 ms的电磁场的分布。

图2为某时刻变压器内部的磁感应强度的分布云图，可以看出，在变压器上、下端位置磁场强度较高，中间区域磁场强度较低。

图3为变压器截面上场强分布，从分布图可以看出，U相区域的场强值较大，其他区域的场强值较小。

图4为变压器铁心场强分布图，与图3的结果类似，U相所在的铁心区域场强较大。

上述结果的主要原因是U相有瞬态电流输入，导致场强有较高的值。

图5为铁心磁矢量分布示意图，可以看出，铁心磁矢量的分布规律符合电磁场的基本规律。

2.2 电磁强度沿着特定路径分布
为更准确地了解变压器内部磁场，计算了几条关键路径上的磁场分布，图6—9为
指定路径位置说明及其磁感应强度数据。

图6—7为选取特定的路径得到的磁场分布，从图7可以看出，磁场强度沿着铁心高度方向呈现对称分布，铁心上下端部
磁场强度最高，上下端部附近位置出现磁场强度最低值。

图8—9为选取的U相铁心内侧附近的路径得到的磁场分布，从图9可以看出，磁场的分布呈现不规则的
分布，在内侧上端位置出现磁场强度最大值。

2.3 损耗计算结果
损耗直接决定了变压器的热源，最终将会影响到温升，从而可能对变压器的电磁参数性能产生影响，威胁到变压器乃至整个电网的安全。

根据需要，可以提取各相上各个等级绕组的欧姆损耗。

在提取结果时，考虑到线圈数量众多，采用程序接口，通过编程自动进行数据的处理，效率更高。

图10为短路相上的绕组(包括高压线圈、中压线圈)欧姆损耗随时间的变化曲线，可以看出高压线圈的欧姆损耗的值最大，随着时间的变化，欧姆损耗逐渐减小，中压线圈的欧姆损耗较小。

低压线圈和调压线圈的欧姆损耗最小，接近零。

2.4 受力计算结果
在短路状态下，变压器上的线圈瞬间将会受到较大的冲击电流，从而受到较大的电磁力。

在电磁力的作用下，线圈将产生一定的机械运动和振动，引起变压器的振动，进而带动油箱的运动，使油箱中的油流发生涌动。

因此，准确地计算出线圈上受到的电磁力，无论是对于变压器的噪声控制还是油箱中的油流涌动控制和检测，都具有重要的意义。

同损耗计算相似，电磁力在各个相各等级绕组上的电磁受力都可以被计算得到。

由于线圈匝数太多，因此在对各等级绕组求解电磁力时，采用编程的方式，自动计算，这样能大大减轻工作量，而且得到的电磁力也更加具有指导意义。

图11为短路相上的调压绕组受到的电磁力随时间的变化曲线，可以看出在U相短路时，调压绕组受到的合力为正值，随着时间的增加，合力的大小呈现降低的趋势。

从3个分量来看，Z方向的分量的绝对值最大，随着时间的增加，绝对值逐渐减少；
其次是Y方向的分量，同样随着时间的增加，绝对值逐渐减少。

采用ANSYS Maxwell 3D软件对110 kV的油浸式三相电力变压器在短路状态下
的三维瞬态电磁场进行数值模拟，计算得到了电磁场的分布、绕组受到的电磁力的大小以及产生的电磁损耗，通过数值模拟分析，得到以下结论：
a) 采用ANSYS Maxwell 3D数值模拟软件，通过一系列合理的简化，对大型的油浸式三相电力变压器进行三维瞬态的电磁场分析，得到了电磁场强度的分布、并获得电磁力和电磁损耗的数据；
b) 数值模拟结果表明：在U相短路时，调压绕组受到的合力为正值，随着时间的
增加，合力的大小呈现降低的趋势。

从三个分量来看，Z方向的分量的绝对值最大，随着时间的增加，绝对值逐渐减少，其次是Y方向的分量，同样随着时间的增加，绝对值逐渐减少；
c) 在U相受到短路冲击时，高压线圈的欧姆损耗值最大，随着时间的变化，欧姆
损耗逐渐减小；中压线圈的欧姆损耗较大，而低压线圈和调压线圈的欧姆损耗较小。

周杰联(1985)，男，广东广州人。

工程师，工学硕士，主要从事变压器多物理场
耦合数值模拟研究及工程应用。

李德波(1983)，男，土家族，湖北宜昌人。

高级工程师，工学博士，主要从事变
压器多物理场耦合数值模拟研究及工程应用，大规模并行计算方法和程序开发等方面的研究。

冯永新(1967)，男，广西柳州人。

教授级高级工程师，工学博士，主要从事变压
器安全管理工作。

【相关文献】
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