許暉　尹忠東

摘 要：干式變壓器是一種電氣強度、機械強度和耐熱強度都很高的變壓器。隨著我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設進程的加快和電力行業(yè)對節(jié)能的需求，干式變壓器的應用也越來越廣泛。而這同時也對干式變壓器的性能和質量提出了更高的要求。為提高干式變壓器的工作容量并降低損耗和溫升，文章利用有限元分析軟件（ANSYS）研究了其內部的損耗和溫升情況。本研究可縮短變壓器的設計周期，降低設計成本，有利于其優(yōu)勢的發(fā)揮。

關鍵詞：干式變壓器；磁場分布；鐵心損耗；溫升

引言

干式變壓器相對于油浸式變壓器而言，防火性能大大提高，特別適用于城市、室內及人口密集的中心場所[1]。在發(fā)達國家中，干式變壓器的應用已占到配電變壓器總量的一半。隨著我國城市化進程的加速，干式變壓器也將發(fā)揮更加重要的作用。然而因為沒有變壓器油的存在，由于絕緣的限制，其電壓等級不能足夠高；由于溫升的限制，其容量不能足夠大。干式變壓器投入運行后，它的運行壽命要受到負荷和環(huán)境條件的影響，其中熱效應對絕緣材料的影響最大。繞組溫度超過絕緣耐溫限制而導致的絕緣破壞，是造成變壓器不能正常工作的主要原因之一。因此，對干式變壓器的損耗和溫度場的研究有著重要的實際意義。

損耗包括鐵損、銅損和雜散損耗，在這些運行損耗中，除繞組的電阻損耗外，其余損耗都是由磁通產生的[2]。損耗的計算是溫度場分析的基礎[3]。變壓器的容量越大，漏磁場就越強，從而使穩(wěn)態(tài)漏磁場引起的各種附加損耗增加，熱性能變壞，最終導致絕緣材料的熱老化與擊穿。為了緩解這些矛盾，必須對磁場、損耗和溫升進行全面的分析。

1 建模分析

這里選用的變壓器為10kV/400V三相干式電力變壓器。額定容量SN=100kVA，短路損耗Pk=2100W，空載損耗P0=550W，根據(jù)《三相干式電力變壓器技術參數(shù)和要求》等行業(yè)標準，鐵芯的磁通密度為B=1.623T。

在求解方法的選擇上，因為棱邊單元法的自由度與單元邊有關，而與單元節(jié)點無關。在三維低頻的動靜態(tài)電磁場問題的仿真中都有很好的求解能力[4]，應優(yōu)先選用這一方法。

由于需要給線圈通入時變的交流電，所以此分析類型為瞬態(tài)求解類型。在求解磁場時，除給出的描述動態(tài)電磁場Maxwell方程組外，還必須給定邊界條件。

矢量磁位在邊界L上磁通量應平行于模型邊界。邊值問題如下式：

（1）

式中：？滋為磁導率；A為矢量磁位；JL為電流密度；L為模型區(qū)域外邊界。

在棱邊單元法中，用AZ=0（Z方向上的磁力線為零）來說明磁力線平行邊界條件，磁力線垂直邊界條件自然發(fā)生，無需另加說明。

變壓器的空載損耗主要是指鐵芯損耗，它包括磁滯損耗和渦流損耗。

文獻5指出，在工頻條件下，取向和非取向低碳硅鋼片中，磁滯損耗和渦流損耗的大小基本一致。其渦流損耗為：

（4）

式中：Jy為傳導電流電場，？酌電導率。

在磁場分布的求解過程中，設置了100個載荷步，每個載荷步對應于一個按正弦規(guī)律變化的時間點的電流載荷，相鄰的載荷之間按斜坡方式加載，

分析第25個載荷步時的磁場分布及強度，可以看出，在這一時刻，中間繞組的電流與左右繞組的電流方向相反，所以中間鐵芯柱的磁感應強度最大，幅值為1.681T，與實際的最大磁感應強度1.623T十分接近。

在ANSYS中，執(zhí)行內置的宏命令“POWERH”可以得出變壓器的鐵心損耗，結果為Ploss=539.42W，這與銘牌參數(shù)上所示的空載損耗P0=550W非常接近。

溫升產生主要是由變壓器運行中所產生的損耗引起的[6]。文章將采用磁場中求得的焦耳熱通過間接耦合加載到溫度場分析中。在不影響精度情況下，做如下簡化：（1） 繞組外界遠處的空氣溫度恒定，相對壓強為零；（2） 認為空氣為理想氣體，其物性參數(shù)不隨溫度和壓力而變化；（3） 計算中忽略匝間絕緣、夾件、墊塊等附件。

在分析溫度場之前，需用LDREAD命令讀入上步磁分析中的結果數(shù)據(jù)，并將其作為載荷施加到實體模型上。

變壓器的溫度分布并不均勻。從底部到頂部的總體溫度從高到低，又從低到高。通過與其磁路分布規(guī)律對比可知，它們的分布趨勢基本一致。其原因在于磁滯損耗與磁場強度成正比，渦流損耗與磁通密度的平方成正比。磁飽和區(qū)域的損耗較高，因而此處溫度也較高。

2 結束語

文章建立了干式變壓器的三維模型，應用ANSYS軟件對其磁場進行了計算分析，并得到了鐵芯損耗。在這一基礎上，把求得的損耗作為生熱源，耦合到溫度場進行了研究，分析了鐵芯的溫度分布。

所建立的三維模型，不僅可為干式變壓器的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)，也對保證產品質量，推廣應用具有重要意義。

參考文獻

[1]封棟梁.干式變壓器優(yōu)化設計研究[D].南京：東南大學，2005.

[2]蔡宣三，高越農.可控飽和電抗器原理、設計與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[3]代忠濱.干式空心電抗器損耗及溫度場研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2012.

[4]甘艷， 阮江軍， 陳允平.一維有限元與三維有限元偶合法在接地網(wǎng)特性分析中的應用[J].電網(wǎng)技術，2004， 28（9）：62-66.

[5]Graham C D.Physical origin of losses in conducting ferromagnetic materials（invited） [J].Journal of Applied Physics， 1982， 53（11）：8276-8280.

[6]Jansak L， Zizek F， Jelinek Z， et al.Loss analysis of a model transformer winding [J].IEEE Transactions on Applied Super Conductivity， 2003， 13（2）： 2352-2355.