基于ANSYS的电力变压器铁芯磁场与漏磁场分布的仿真研究_闫学勤

基于ANSYS 的电力变压器铁芯磁场与
漏磁场分布的仿真研究X
闫学勤,杜　勇,梁岚珍
(新疆大学电气工程学院,新疆乌鲁木齐830008)
摘　要:介绍了应用大型有限元软件ANSYS 对三相电力变压器铁芯磁场和线圈漏磁场的仿真分析,仿真结果
与技术指标基本吻合,验证了分析方法的正确性和实用价值.
关键词:ANSYS;电力变压器;铁芯;磁场
中图分类号:T M 411.+2;TP 391.9 文献标识码:A 文章编号:1000-2839(2005)03-0361-04
Study on Simulation of the Core Magnetic Field and
Leakage Field in Power Transformer Based on Ansys
YAN Xue -qin ,DU Yong ,LIA NG Lan -zhen
(Colleg e of E lectrical E ngineering ,X injiang University ,Ur umqi ,X inj iang 830008,China )
Abstr act :T he art icle int roduces the application of finite element method (F EM ),soft-war e ANSYS in the
magnet ic field of core and the leakage field of coil about power t ransfor mer .T he simulation r esults ar e similar to
the qualificat ion and pr ove the cor rectness of the method and t he pr actical value.
Key wor ds :ANSYS;power tr ansformer ;core;magnetic field
电磁场和损耗的研究是讨论变压器中电、磁、热力各种因素及其相互作用的基础.目前铁芯磁场及铁芯损耗、漏磁场及结构件中附加损耗的分布是变压器电磁场研究的主要内容之一.由于漏磁场的路径完全不同于铁心磁场(主磁场),其漏磁场的磁路大部分由非铁磁材料组成,有的是通过绕组部分空间油隙闭合,有的是通过绕组部分空间油隙在经过油箱壁闭合等,所以随着变压器容量的增大,漏磁场引起的各种附加损耗增加,若设计不当,最终会导致绝缘材料的热老化与击穿,出现安全问题.
本文以三相电力变压器S9-3150/35为仿真对象,介绍ANSYS 软件在电力变压器铁芯磁场和电力变压器的线圈漏磁场仿真分析中的方法以及分析结果.
1　ANSYS 求解电力变压器的铁芯磁场与铁芯损耗
1.1　基本假设
在工频情况下,对模型做适当简化.铁芯主磁场分布主要受励磁电流的约束,基本不受涡流影响,因此铁芯主磁场在负载与空载情况下的差别非常小,所以只考察空载情况.在空载情况下,变压器漏磁通相对主磁通来说很小,通常只占主磁通的1%左右,在主磁场计算时,也可以忽略不计.基于上述原因,在仿真铁芯主磁场时可作如下假设:1)忽略铁芯中涡流效应对主磁场的影响.2)按空载磁场计算.3)不考虑磁屏蔽以及油箱的影响.4)忽略变压器漏磁通的影响.5)不计铁芯磁场的磁滞效应,认为磁化曲线是单值函数.
1.2　物理模型
本文采用基于节点的磁场分析单元类型库和相应的图形界面,取铁芯柱的几何中心为参考坐标原点,根据铁芯结构对称性,现将铁芯叠片的一层取出,作为变压器铁芯电磁场分析的对象,求解场域模型如图1(a)所示.其中,铁心区硅钢片牌号DQ130-30,铜导线电阻率为2.135*10-88/m,变压器油及铜导线的第22卷第3期新疆大学学报(自然科学版)Vol.22,No.32005年8月Journal of Xinjia ng University(Natur al Science Edition)Aug.,2005
X 收稿日期:2005-01-10作者简介:闫学勤(1978-),女,助教,在读硕士研究生,研究方向为计算机智能控制与仿真.
相对磁导率L=1.选择线圈区域为自由度是AZ,CURR,EMF的PLANE53单元,远场区为INFIN110远场单元,其余区域为AZ自由度的PIANE53单元.并通过“电磁-路”耦合给线圈外加电源和载荷,原、副边与外电路的连接如图1(b)所示.当改变外电路的连接方式及负载的阻值时,就可以模拟变压器在空载、负载和短路等状态的运行状况.根据Maxwell方程并结合A NSYS的特点,本例采用平面场,用矢量磁势AZ作为辅助函数.对于该物理模型中各区域的电磁场微分方程如下:
方程(1),(2)用于线圈区域求解:
¨×[v]¨×{A}-¨v e¨õ{A}+[R]5A
5t
+[R]¨v
-{V}×[R]¨×{A}={0}(1)
¨õ[R]5A
5t
-[R]¨v+{V}×[R]¨×{A}={0}(2)
方程(3)用于铁芯和场区域求解:
¨×[v]¨×{A}-¨v e¨õ{A}={J S}(3)
其中:v e=1
3
tr[v]=
1
3
(v(1,1)+v(2,2)+v(3,3))
[v]——磁阻率矩阵=[L]-1;{A}——磁矢量位;{J s}——电流密度矢量;V=电标量位;[R]——电导率矩阵.
1.3　剖分和耦合
本例中铁芯接缝处、铁窗及铁芯区和远近场区采用四边形自由剖分,线圈区进行映射法剖分,共划分出单元14126个.此时需对线圈区耦合电流(CU RR)和电动势降(EMF)自由度以使电流守恒、绕组电流均匀分布.建模完成后,在远场区边界施加远场标志(flag),将其边界设为第一类边界条件,整个场域加磁力线平行边界条件.
1.4　求解
本文不考虑铁芯的非线性,采用“谐态”方式,选用“波前”法(the Frontal(Wavefront)method)进行. 2　变压器铁芯磁场分布与铁芯损耗仿真结果
2.1　变压器铁芯磁场分布
通过调用编制的APDL宏命令流可以方便的模拟求解在工频正弦电压作用下电力变压器的各种工作状态.求解变压器铁芯磁场部分宏命令流如下:
……
!宏命令求解
*create,load !创建宏设置载荷步
u1=35000 !计算激励电压
rmodif,5,2,t+120,,,1　!修改实常数值
rmodif,6,2,t,,,2
rmodif,7,2,t+240,,,3
c=c+1 !角度递增
t=c*30
outres,all,1 !设置输出控制
solve
finish
*end
……
三相双绕组电力变压器S9-3150/35的额定容量为3150KV A,由以上宏命令流可得铁芯在不同时刻的磁场分布如图2所示.
362新疆大学学报(自然科学版)2005年
图1　三相变压器物理模型图2　三柱铁芯磁场分布
2.2　铁芯空载损耗计算
根据工程计算理论可得,对于给定的硅钢片,在一定频率下,每单位重的损耗取决与磁通密度,当得到铁芯重量及磁通密度后,就可算出变压器的空载损耗.
空载损耗:P 0=K 1P 1G F ,W .
式中:P 1-铁芯单位损耗,W/kg;G F -铁芯重量,kg;K 1-附加系数,此处K 1= 1.15;该变压器的理论计算空载损耗为3.8kW.
ANSYS 求解损耗:
ANSYS 软件在后处理中可计算出模型的损耗,计算公式为:
P rms =12Re 6n
i =1(([p i ]{J ~ti })*õ{J ~ti vol i 其中:n =单元总数目,Re {}=复量实部,[Q i ]=磁阻率张量,{J ~ti }=第I 个单元的总耦合电流密度矢
量,vol i =单元体积,*=复共轭算子.
通过上式最终可得空载损耗为3776W,空载电流为0.32A ,与理论计算相符.3　ANSYS 求解电力变压器的线圈漏磁场
研究变压器线圈漏磁场是计算线圈漏电抗、短路机械力和结构件涡流损耗等特性参数的前提条件,线圈漏磁场的分布是否合理,直接关系到这些参数性能的优劣.仍以S 9-3150/35电力变压器为例,采用有限元法,以矢量磁位为求解变量,仿真变压器正弦稳态漏磁场.
3.1　计算模型的简化与假定
1)电力变压器的漏磁场,简化为二维非线性磁场计算;2)因三相情况类同,故只分析一相;3)对称性求解区域只取剖面的一半;4)高、低压线圈高度相等,其各子区域内的安匝认为均匀分布;5)不计铁芯磁场的磁滞效应,认为磁化曲线是单值函数按照上述简化,可得如图3所示的仿真模型.
取轴对称场分析,用矢量磁位为求解时,其求解方程如下:
¨õv -¨A =-J z +j X R A (4)
55r (1L r 5(rA )5r )+55z (1L z 5(rA )5z )=-J z +j X R r
A (5) 通过仿真可得其漏磁场的分布如图4所示,并根据公式(6)可得最大的磁通密度计算值1.68T ,仿真值与它的相对误差是0.02T.油箱材料=200,其油箱的总损耗为2758W.
B m =17.8A D nn Q r H k
×10-4,T (6)其中:D -绕组电流密度(A/mm 2r 363
第3期闫学勤,等:基于ANSYS 的电力变压器铁芯磁场与漏磁场分布的仿真研究
电阻系数(8·mm 2/m
).图3　仿真模型图4　变压器绕组漏磁场分布图5　变压器绕组漏磁场分布
(采用磁屏蔽=800)
当油箱采用磁屏蔽将其在油箱内表面后,磁屏蔽特性取=800,磁屏蔽厚度为1cm.由于磁导率较高,原来进入油箱的磁通就进入磁屏蔽中,从而降低油箱损耗.在该情况下,油箱的总损耗是1387W,如图5所示.比较可得,油箱采用磁屏蔽后,进入油箱的漏磁通减少,有效地减少了油箱损耗,所以磁屏蔽是保护油箱过热的有效措施.
由于油箱材料的性能对损耗大小及其分布影响显著,不同导磁性能的油箱其损耗也各不相同.在使用磁屏蔽后,当油箱材料=600,其油箱的总损耗为1806W.通过比较油箱导磁性能越好,进入油箱的漏磁通越多,总损耗增大,其最大损耗密度值也越大.
4　结论
1)有限元软件ANSYS 对三相电力变压器磁场分布的仿真结果与理论分析相符,说明分析与仿真方法的正确性.
2)ANSYS 软件利用“场-路”耦合方法可考虑到负载运行情况,并且不同负荷的取值可模拟空载、负载和短路,对分析某些电力设备的电磁场问题来说非常快速、有效.
3)油箱采用磁屏蔽后,油箱损耗大大降低,可消除油箱的局部过热问题.
4)油箱导磁性能越好,进入油箱的漏磁通越多,总损耗增大,其最大损耗密度值也越大.
5)本分析对变压器物理模型做了假设,关于实际变压器的特性分析有待于进一步的研究、深化.参考文献:
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责任编辑:陈　勇364
新疆大学学报(自然科学版)2005年。