基于Ansoft的变压器二维漏磁场分析

传统的变压器静态设计方法假定所分析的绕组是固定的刚体， 认为作用在绕组上的力是一个由绕组中流过的最大值电流的幅值 所决定的不变的力，并仅根据电磁力定律给出绕组的幅向及轴向电
参考文献 ［１］ 李湘生，陈乔夫．变压器的理论计算与优化设计［Ｍ］．华中理工
大学出版社．１９９０． ［２］ 汤蕴缪，梁艳萍．电机电磁场的分析与计算［Ｍ］．机械工业出版
关键词：变压器 漏磁场 Ansoft
一、引言 变压器是电力系统中一种不可或缺的部件，起着电能上承下启 的中转作用。变压器的安全稳定运行对整个电网的运行可靠性有至 关重要的意义。随着经济的发展，电能消耗的增加，在变压器的设计 中降低故障概率，使用中及时有效排除故障并维护其稳定运行，成为 电力运行检修人员的重要课题。 变压器内的磁通从其通过路径上可以分为主磁通和漏磁通。主 磁通被约束在铁心中，与一二次绕组交链，是变压器传递能量的根本 载体；漏磁通则通过铁心外部分空间甚至变压器箱壁闭合，起不到变 压作用，并引起附加损耗及涡流损耗，导致局部过热，使绝缘材料加 速老化最终击穿，造成短路事故。一般来说，大容量电力变压器的绕 组中通有较大的电流，在漏磁场的作用下，不同位置的线圈会受到电 磁力的作用，产生形变位移。导线位置的变化又反过来影响整个磁场 的分布，从而影响变压器的动态机械性能。容量越大的变压器，漏磁 场的这些影响越明显。随着电网容量的增加，变压器漏磁引起的短路 事故频繁发生。因此，对变压器内部漏磁场的分析越来越重要。 漏磁场的分布是不均匀的，所以漏磁场中不同位置的线圈受到 的电磁力的大小方向都是不同的，产生的影响也是不一样的。在以往 的变压器设计分析计算中，采用的等效磁路的方法不能反映出这种 磁场分布的特点。本文使用 Ansoft 软件建立变压器额定原型时的仿 真模型，采用有限元数值计算的方法，对变压器的漏磁场分布进行计 算，分析其大小及方向特点。
以一台 SFSZ—40000/110 电力变压器为分析对象。其基本技术 条件如下：额定容量为三相 40MVA，额定频率为 50Hz；额定电压为 高压 110kV，低压 10.5kV；额定电流为高压 210A，低压 2200A；连接 方式 YNd11。
为简化建模过程，做出以下假设：首先，根据三相电源的对称性 极及求解问题的特征，将三相变压器的三相结构简化为一相来处理， 并进一步取变压器一相的一个对称半剖面；其次，变压器磁场严格来 说是一个三维的分布，在满足求解精度的条件下，根据变压器结构的 对称性，将模型简化为二维场处理，缩短分析时间；第三，忽略移位电 流、磁滞涡流损耗的影响，默认线圈区域内安匝数均匀分布。按照以 上原则建立简化分析模型（见图 1）。
其中，Ⅰ是高压绕组，高 1130mm，宽 86mm，线圈匝数为 647 匝；Ⅱ是低压绕组，高 1150mm，宽 79mm，线圈匝数为 107 匝；Ⅲ是 铁心柱，材料采用电力变压器普遍采用的 30Q131 型钢片；Ⅳ是调压 绕组；其余空间为变压器油部分。设置整个求解区域背景的边界条件 为气球边界。因为要对其中漏磁场状况进行计算，铁心柱的边缘设置 为自然边界条件。综合计算精度及计算速度的要求，求解单元剖分的 网格边长设置为 5mm。
图 1 拓扑简图
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 的局部效应不明显，而在铁心外部绕组附近的分布强度较高且不均 动力，忽略了其它重要检查点，如导线倾倒力、绝缘材料受力、夹件及
匀。在绕组的中部漏磁场强度难反映变压器的实际动态过程。应当在
低，从而导致各导线的漏磁链及感抗不同，产生环流，并影响变压器 变压器的设计过程中引入瞬态过程的分析，并综合考虑突然短路等
运行参数的变化。
故障状态的影响。
通过磁力线分析，漏磁通在铁心外部绕组中部基本上是轴向 的，和绕组电流产生的电磁力是径向的。并且，靠近铁心的内层绕组 受向内挤压力，外层绕组受向外张力。在绕组的底部及顶部，由于磁 通的方向的渐变，绕组将既受到轴向电磁力的作用，又有径向电磁力 作用。正常运行时，流有较大电流电力变压器的绕组长期处于漏磁场 力作用下，可能发生变形；严重时将导致线圈整体坍塌损坏，导致层 间短路，引发故障。
正常运行条件，钢轧变电站 2 台 240MVA 的主变压器只投入 了一台运行，当该线路跳闸，塘岔热电厂将带主要新区负荷孤网运
一、引 言
迫于能源紧缺、环境和生产成本的压力，拥有自备电厂的企业 非常重视自备电厂的孤网运行问题。马钢拥有两个自备电厂：热电 一厂共 4 台 60MW 发电机组；塘岔热电厂共 3 台发电机，一台 135MW 汽轮发电机组，一台 153MW 的 CCPP 机组，一台 60MW 无再热汽轮发电机组。所有机组都是通过升压变压器接于 110kV 供电母线上。马钢自备电厂发电量占马钢用电总量 70%以上。但目 前马钢发电机组不具备孤网运行的条件，一旦主网失电，发电机组
关键词：孤网运行 运行分析 PSASP 仿真
将自动脱离电网并停机，经济损失巨大。研究自备电厂在主网失电 状况下孤网运行，对马钢安全稳定、高效生产具有十分重要的意 义。
二、马钢新区供配电系统简述
马钢新区供配电系统 110kV 及以上网络拓扑简图如图 1 所 示。市电 220kV 经恒兴变电站接入钢轧变电站给马钢新区供电，马 钢新区 110kV 主网网架以塘岔热电厂和钢轧变电站为中心，分别 连接 73＃ 变、21＃ 变、29＃ 变负荷和 92＃ 炼钢变、93＃ 新轧变、94＃ 冷 轧变、93＃ 风机变、LF 炉负荷，其中 73＃、21＃ 变电站原由马钢老区 供电，后改由塘岔热电厂直接供电。图 1，96＃ 新高变电所由恒兴变 电所直接供电，主要负荷为高炉，所产高炉煤气部分供给塘岔热电 厂。如图 1，703LF 炉和 735 轧机负荷为冲击性负荷。图 1，塘岔热 电厂的 3 台发电机组并列运行，经钢塘 731 和塘岔 732 两条联络 线接入 110kV 母线并网。根据最新统计，马钢新区自备电厂平均发 电量约为额定容量的 86％，厂用电 5％，上网约 5％。
社．２０１０． ［３］ 赵博，张洪亮．Ａｎｓｏｆｔ１２ 在工程电磁场中的应用［Ｍ］．中国水利
水电出版社．２０１０． ［４］ 倪光正．工程电磁场数值计算［Ｍ］．机械工业出版社．２０１０．
责任编辑：李丹丹
2012年第 8 期 51
二、结构模型
有限元方法（FEM）以变分原理为基础，将微分边值问题转换为 变分问题，再通过剖分插值的方法转化为多元函数的极限问题。在许
50 2012年第 8 期
多难以精确求解的工程实践问题中，有限元方法是一种有效的分析 手段。Ansoft 是一款功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有 限元分析软件，包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模 块，用于分析电机、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况 和故障工况的特性。
科
园 安徽科技 ANHUI SCIENCE & TECHNOLOGY
马钢新区孤网运行
仿真研究
苏国友 包自力 吴作君 曾 野
（马鞍山钢铁股份有限公司 安徽大学教育部电能质 量工程研究中心）
摘 要：本文介绍了马钢新区配电系统及运行情况，应 用 PSASP 计算了正常运行时的潮流、孤网情况 的潮流，并进行了孤网暂态稳定的仿真分析，为 提出马钢新区孤网运行时的电压稳定控制、频 率稳定控制、负荷控制等方面提供了技术依据。
安徽科技 科
园
ANHUI SCIENCE & TECHNOLOGY
基于 Ａｎｓｏｆｔ 的变压器
二维漏磁场分析
王群京 周 睿 李国丽
（安徽大学电气工程与自动化学院）
摘 要：变压器内部漏磁场的存在会对其正常工作产生 一系列影响。本文运用有限元分析软件 Ansoft 对一台变压器内的漏二维磁场进行仿真，并分 析其特点，为电力变压器的设计提供基础。
三、漏磁场计算 根据变压器技术条件计算得绕组上电流来加载求解条件，高压 绕组上的电流密度为 2.94，低压绕组上电流密度为 2.71A/mm2。求解 得到变压器漏磁场分布的磁场强度及磁力线分布，分别如图 2、图 3 所示。
图 1 变压 图 2 磁场强度分布 图 3 磁力线分布 器计算模型
四、结论 从分析仿真的结果可以看出，变电力压器在额定运行时将在内 部产生漏磁场。这个漏磁场经过铁心及铁心外部变压器油部分闭合， 并与变压器绕组交链。漏磁场在铁心内部的分布较为均匀，因此产生