ANSYS大型变压温度场的有限元分析

ANSYS大型变压温度场的有限元分析

杨涛

华北科技学院机电工程系材控B112班

摘要：变压器是一种静止的电能转换装置，它利用电磁感应原理，根据需要可以将一种交流电压和电流等级转变成同频率的另一种电压和电流等级。它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义；同时，它在电气的测试、控制和特殊用电设备上也有广泛的应用。如何开发合适的温度场计算技术，准确地计算变压器在各种运行状态下内部线圈、结构件及铁芯等部位的温度，控制内部热点温度不超过其内部绝缘材料的许用温度，从而保证变压器的热寿命，提高变压器的安全可靠性，是企业急需解决的问题。准确计算出变压器的平均温升和最热点温升，并合理地控制其分布，以满足标准要求，是保证变压器安全、稳定和高校运行的关键。

关键字：温度场;变压器；铁芯；有限元；ANSYS

1引言

变压器是电力网中的主要设备，其总容量达到发电设备总容量的5～6倍。电力变压器的技术性能、经济指标直接影响着电力系统的安全性、可靠性和经济性。随着科学技术的发展、生产技术的进步以及新型电工材料的开发应用，变压器的各项性能指标不断刷新，单机容量越来越大，变压器中的漏磁场也随之增大，引起了人们的关注。在额定运行情况下，漏磁场的增强引起的变压器附加损耗的增加将直接影响变压器的运行效率和产品的竞争力。严重的是，由于漏磁场在一定范围内的金属结构件中产生的涡流损耗不均匀，有可能造成这些结构件的局部过热现象。变压器的容量越大，漏磁场就越强，从而使稳态漏磁场引起的各种附加损耗增加，如设计不当它将造成变压器的局部过热，使变压器的热性能变坏，最终导致绝缘材料的热老化与击穿。

在电力系统发生短路时，暂态短路电流产生的漏磁场还可能产生巨大的机械力，对其绝缘和机械结构造成致命威胁。为了避免此种事故发生，必须对漏磁场进行全面的分析。为此，对变压器运行的效率、寿命和可靠性提出了越来越高的要求。

变压器在220℃温度下, 保持长期稳定性，在350℃温度下, 可承受短期运行，在很广的温度和湿度范围内, 保持性能稳定，在250℃温度下, 不会熔融,流动和助燃，在750℃温度下, 不会释放有毒或腐蚀性气体。为了减少过高温度对变压器绝缘材料的影响，使变压器实现预期的使用寿命，保证变压器安全可靠的运行，变压器各部分都有各自所规定的温度极限，现主要对变压器的铁芯和绕组进行有限元分析。

2变压器

2.1变压器的基本原理

由于变压器是利用电磁感应原理工作的，因此它主要由铁心和套在铁心上的两个（或两个以上）互相绝缘的线圈所组成，线圈之间有磁的耦合，但没有电的联系（如图1所示）。

图1 变压器的工作原理图

按图中标明的变量关系，变压器的电动势平衡方程可写成：

假定变压器两边绕组的电压和电动势的瞬时值都按正弦规律变化，可得一次、 二次绕组中电压和电动势的有效值与匝数的关系为：

如果忽略铁磁损耗，根据能量守恒原理，变压器的输入与输出电能相等，即：

由此可得变压器一次、二次绕组中电压和电流有效值的关系：

因此，只要改变一次、二次绕组的匝数比 k ，便可达到变换输出电压 u 2 或 i 2 大小的目的，这就是变压器利用电磁感应原理，将一种电压等级的交流电源转换成同频率的另一种电压等级的交流电源的基本工作原理。

2.2变压器的基本结构

铁心是变压器的主磁路，又作为绕组的支撑骨架。铁心分铁心柱和铁轭两部分，铁心柱上装有绕组，铁轭是联接两个铁心柱的部分，其作用是使磁路闭合。

绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成，近年来还有用铝箔绕制的。为了使绕组便于制造和在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，一般电力变压器都把绕组绕制成圆形的（如图2所示）。

t ΦN e u d d 111=-=t

ΦN e u d d 222==k N N E E U U ===2121212211I U I U =2

121I I U U =

图2 绕组和铁芯2.3变压器的主要参数

2.4变压器的结构参数

3有限元分析

3.1建模

电磁场数值计算中，首先要解决的问题就是建立数学模型。一个好的数学模型，既要求能够比较准确地反应客观实际，还要易于求解。

变压器模型剖分图

3.1变压器的剖视图

3.2模型图划分网格

用ANSYS绘制的网格划分之后的图

3.3进行温度场分析

铁芯温度场分布

低温绕组温度场分布

由图中可以看出，绕组由底部向顶部温度升高，并且温差越来越大，顶部温度最高。热流量分布并不均匀。

油箱外表面温度场分布

4结论

通过对变压器的铁芯和绕组进行温度场有限元分析，可以得出高低压绕组都是随着轴向高度的增大而上升，最热点均靠近端部位置。高压绕组温升要高于低压绕组，这是因为铝导线的散热差并且高压单层体积大于低压单层体积。铁心温升轴向高度增加，中间心柱要略高于周边。不论是高压绕组还是低压绕组，温度分布是不均匀的，下部温度低，上部温度高，绕组的最低温度位于整个绕组的底端，最高温度位于整个绕组的上半部分。变压器开始工作时，铁心内部最先发热，温度最高，靠近绕组处的铁心较其他地方温升偏高，但其内部温度最终达到了一个近似平衡的状态。变压器运行过程中绕组的温度高于铁心且绕组和铁心的温度最终会分别达到近似平衡的状态。

通过此次建模及分析，使我对变压器的概念了解加深，在查阅了相关资料和书籍后，建立了简单的模型，在对温度场的分析过程中做的并不全面。在此次课程中，使我对ANSYS 有限元分析有了初步的了解和认识，ANSYS软件可对多种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以是实现产品技术创新，在各个领域中得到了广泛的应用。希望在以后的学习和工作过程中，能够更加系统和深入的学习有关ANSYS有限元分析的使用技巧，使其在我以后的工作和生活中发挥更大的作用。