基于Ansoft的变压器磁_热耦合分析

基于 Ansoft的变压器磁-热耦合分析 额尔和木巴亚尔，李 岩，孙 昕 （沈阳工业大学输变电技术研究所，辽宁 沈阳 110870） 摘要：用 Ansoft 对变压器的漏磁场和温度场进行了分析与计算。 关键词：电力变压器； Ansoft； 涡流损耗； 温度场 中图分类号：TM401+.1 文献标识码：B 文章编号：1001－8425（2011）03－0029－05 Magnetic-Thermal Coupling Analysis of Transformer Based on Ansoft Eerhemubayaer, LI Yan, SUN Xin （Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China） Abstract：The leakage magnetic and temperature fields of transformer are analyzed and calculated with Ansoft. Key words：Power transformer； Ansoft； Eddy urrent loss； Temperature 1引言 在大型电力变压器中， 绕组电流产生的漏磁场 将在金属结构中，如夹件、油箱及拉板等产生损耗， 这些损耗是变压器负载损耗的组成部分， 并且由于 它在金属结构件上的分布不均匀， 这些集中在小面 积上的损耗往往会引起结构件中的局部过热。因此， 杂散损耗已成为对变压器性能考核的一个重要指 标。 为了降低杂散损耗，防止局部过热，需要对变 压器绕组结构件内的漏磁分布、 涡流分布和结构 件杂散损耗以及其产生的热效应等进行准确的计 算。 Ansoft 作为一种通用的有限元分析软件， 为变 压器漏磁场及温度场的求解提供了方便条件。 通过 合理地建立模型和求解可以得到变压器油箱及夹 件、拉板等各结构件的漏磁场分布及各点温度。 本文中笔者建立了电力变压器三维涡流场模 型，应用 Ansoft 计算了漏磁场在各结构件中产生的 涡流及损耗，并分析了其分布特点。在此基础上给出 了利用 ePhysics3.1 热分析软件计算变压器结构件 中温度场分布的方法， 并对各结构件中的温度场计 算结果进行了讨论分析。 2 180MVA/220kV型变压器漏磁场计算与分 析 2.1 变压器漏磁场有限元分析 2.1.1 计算模型简化与假定 以一台型号为 SFPZ11-180MVA/220kV 型变压 器为分析对象， 根据变压器结构的对称性以及电磁 场分布的对称特性， 对计算变压器模型作了如下假 设： （1）变压器在结构上对称，箱体对于三绕组中心 平面前后对称，计算模型取整个变压器模型的 1/2。 （2）忽略铁心内涡流、高低压绕组内的环流和金 属结构材料的磁滞特性对漏磁场的影响。 在磁密很 小的情况下，导磁材料中磁滞损耗所占的比例很小， 因此可忽略铁心硅钢片和各金属结构件材料的磁滞 特性以及磁滞损耗。 （3）忽略位移电流的影响。 变压器漏磁场有限元计算模型如图 1所示。 2.1.2 变压器结构件材料属性的确定 变压器结构件材料属性如表 1所示。 假定铁心 基金项目：辽宁省高等学校创新团队项目(LT2010080)，沈阳市 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(2008gx-021) TRANSFORMER 第 48卷 第 3期 2011年 3月 Vol.48 March No.3 2011 第 48卷 中的磁场不饱和， 其磁导率按硅钢片磁化曲线的线 性段给出。 不考虑铁心的涡流损耗， 电导率给定为 0。 油箱材料忽略磁性能的非线性，按线性处理。 2.1.3 对变压器计算模型的有限元网格剖分 铁磁材料处于交变磁场时，其内部将感应涡流， 但磁场和电场主要集中在材料的表面， 导体材料的 透入深度 δ按下式计算： δ= 2σμω姨 （1） 式中 σ为电导率，μ为磁导率，ω 为角频率。 工 频下根据计算模型材料属性， 油箱材料透入深度为 1mm 左右， 此时剖分单元长度要小于透入深度，以 致得到较精确的计算结果。 应用 Maxwell 2D/3D 自适应网格分析， 系统进 行迭代求解，对最大误差存在的区域进行网格细化， 得到较高的网格密度，从而得到更加准确的解。在每 次迭代时，Maxwell 2D/3D 会计算系统的总能量，由 求解误差得到能量百分比， 因而通过检查能量百分 比来确定求解是否结束， 或最近两次误差百分比的 变化量是否达到指定值。 2.2 涡流损耗计算与分析 2.2.1 三维涡流场损耗计算方法 对于铁磁构件， 其涡流区域的损耗可以在漏磁 场后处理中通过以下公式计算： Je=-σ( 鄣A鄣t +△V） （2） pe= υ乙 J 2 σ dυ （3） 式中 Je———涡流密度 pe———涡流损耗 A———磁矢量位 V———电标量位 2.2.2 涡流及涡流损耗分布 对 SFPZ11-180MVA/220kV 型变压器计算模型 通过 Maxwell 3D 漏磁场计算后得到的结构件的涡 流以及损耗分布如图 2~图 4所示。 图 1 变压器 1/2 有限元模型 Fig.1 1/2 of finite element model of transformer 表 1 变压器结构件材料属性 Table 1 Properties of material of parts in transformer 结构件 材料 磁导率/H·m-1 电导率/S·m-1 铁心 30Z140 2 000 — 绕组 电工铜 — 2.714 3×107 油箱 A3 钢 — 6.484×106 夹件 非导磁钢 2 1.388 9×106 拉板 非导磁钢 2 1.388 9×106 (a)涡流分布 (b)损耗分布 图 2 油箱内表面涡流及损耗分布 Fig.2 Eddy current and loss distribution on internal surface of oil tank Fig.3 Eddy current and loss distribution of clamps of yoke 图 3 铁轭夹件涡流及损耗分布 (b)损耗分布 (a)涡流分布 30 额尔和木巴亚尔、李 岩、孙 昕：基于 Ansoft的变压器磁 - 热耦合分析第 3期 由图 2~图 4可以看出： （1）油箱的涡流及其损耗的分布受到透入深度 的影响，主要集中在内表面上与绕组对应的范围内。 （2）由于高低压绕组端部对应的面上漏磁场强 度比较大， 铁轭夹件的涡流及其损耗主要集中在此 处。 （3）铁心拉板的涡流及损耗主要集中在绕组端 部相应的位置。 图 5为拉板表面漏磁通密度沿高度的分布。 由 图 5可看出， 在绕组两端对应的高度处拉板的漏磁 通密度比较大，绕组中部位置最小。 因此，拉板最大 涡流密度主要集中在与绕组两端对应的部位。 各结构件中的涡流损耗计算值如表 2所示。 3 磁 - 热耦合分析 通过涡流场的计算可以得到变压器有关的结构 件，如拉板、夹件及油箱等各表面磁场强度和磁感应 强度。 通过进一步计算，求得变压器油箱、拉板和夹 件等的涡流损耗 。 利用电磁场仿真分析软件 Maxwell12.2与温度场仿真分析软件 ePhysics 3.1 进 行直接耦合计算， 得到结构件温度分布以及热点温 度。 此方法可以直接将 Maxwell 中计算的涡流损耗 映射到 ePhysics 3.1 中的温度场求解器中进行热分 析，并且操作简单、使用方便。 本文中笔者主要分析了三相五柱变压器拉板、 夹件及油箱等结构件中的温度分布。在分析过程中， 由于变压器为强迫油循环风冷变压器， 油温度沿高 度方向的分布比较均匀， 因此忽略高度方向温度变 化，近似认为温度均匀分布。本文中取油对空气的平 均温升为 34K，空气温度取 20℃。 变压器温度场模型基本假设与条件： （1）只考虑变压器油箱稳态时的温度场。 （2）变压器各个部件铁磁材料的性质不随温度 的变化而变化。 这时耦合场的分析是“单向”耦合。 3.1 发热源的选取 变压器在运行时，产生的损耗包括：导线损耗、 铁心损耗和附加损耗等。 这些损耗以热量的形式向 周围的空气或油散出，并使变压器各部分温度升高。 本文中将涡流场中计算得到的各结构件的涡流损耗 作为发热源映射到温度场中进行计算。 3.2 热参数的确定 变压器温度场仿真分析的热参数包括材料导热 系数、冷却介质与变压器部件接触边界的散热系数。 3.2.1 导热系数的确定 变压器材料导热系数见表 3。 3.2.2 散热系数的确定 (a)涡流分布 (b)损耗分布 图 4 铁心拉板涡流及损耗分布 Fig.4 Eddy current and loss distribution of flitch plate of core 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 B/ T H/m Fig.5 Distribution of leakage flux density of flitch plate surface along height 图 5 拉板表面漏磁通密度沿其高度的分布 表 2 结构件涡流损耗计算值 部件 夹件 油箱 拉板 总损耗 损耗/W 16 892 32 784 5 859 55 535 Table 2 Calculated eddy current loss of parts 表 3 变压器材料导热系数 Table 3 Conductivity of transformer material 部件 热导率/W（m·K）-1 铁心 21 油箱 50 拉板 50 夹件 50 绕组 338 31 第 48卷 对流传热现象 (表面散热) 是很复杂的物理过 程，其强度不仅取决于流体运动的性质、运动速度和 固体表面的形状,还取决于流体的物理性质。变压器 中产生的热量以传导的方式传到铁心、 绕组以及其 他结构件表面后，由流过表面的流体把热量带走。对 流换热过程和流体的流动情况、流速、密度、比热容、 粘度和导热系数有关。 对流过程所传递的热流量为： Q=hA(tw-tf) （4） 其中，h是对流换热系数（W/m2·℃）；tw和 tf分别为流 体和壁面温度。 对流散热主要取决于两种介质之间的温差、对 流换热系数和换热面积。 由于箱壁的几何形状比较 规则, 自然对流换热系数 h 采用均值对计算结果影 响不大，由下式得： h=C(λ/H)(GrmPR)n （5） 其中,H 为箱壁高度;Grm为葛拉晓夫数;PR为普朗特 数；C和 n为常数；λ为空气导热系数。 变压器油与箱体内表面及各个结构件面的对流 换热属于受迫对流换热，可以用式（6）计算得到： hf=1.023 8 ρckv2Hk姨 （6） 其中，c 为变压器油的比热容，k 为变压器油的导热 系数，Hk取 0.15；v为循环油的平均速度。 3.3 温度场计算结果与分析 通过 ePhysics 中稳态温度场分析得到的 SF- PZ11-180MVA/220kV 型三相五柱变压器的油箱、拉 板及夹件等结构件的温度场分布如图 6～图 8所示。 从图中可看出变压器油箱、 夹件及拉板上的温 度分布，并可得到如下几点结果： （1）图 6中，油箱上的热点温度出现在油箱中间 部位，出现此现象是因为此处漏磁场强度最大，产生 的涡流密度和涡流损耗也最大，如图 2 所示。油箱对 油的最大温升为 30.35K。 （2）图 7中，夹件的最高温度出现在高低压绕组 端部对应的面上， 是因为绕组端部处的漏磁场强度 比较大，对应位置的夹件上的涡流密度也大，如图 3 所示，夹件对油的最大温升为 23.43K。 （3）图 8中，拉板的较高温度主要出现在绕组端 部位置，因为此处的涡流密度最大，产生的涡流损耗 也最大。 图 9给出了沿轴向高度方向拉板温度分布。 拉板最热点温度出现在绕组端部对应的位置， 对油的最大温升为 13.72K。 4 结论 本文中笔者应用 ePhysics 3.1 的稳态热分析功 能，将 Maxwell与 ePhysics 3.1结合对三相五柱式电 力变压器结构件中的热量进行了计算分析， 并得到 了如下几点结论： （1）ePhysics3.1软件对三相变压器结构件温度 图 6 油箱温度场分布图 Fig.6 Distribution of temperature field of oil tank 图 7 铁轭夹件温度场分布图 Fig.7 Distribution of temperature field of clamps of yoke 图 8 铁心拉板温度场分布图 Fig.8 Distribution of temperature field of flitch plate of core 60.00 55.00 50.00 45.00 T/ ℃ 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 H/m 图 9 沿轴向高度方向铁心拉板温度分布曲线 Fig.9 Curve of temperature of flitch plate of core along axial height 32 额尔和木巴亚尔、李 岩、孙 昕：基于 Ansoft的变压器磁 - 热耦合分析第 3期 场的仿真结果与理论分析相符，说明了仿真分析方 法的正确性。 （2）漏磁场计算结果表明，拉板表面磁通密度 沿拉板轴向高度方向 0.5m 处和 2.25m 处(对应于绕 组端部)最大，从温度场计算结果可看出，拉板热点 温度出现在此处。 （3）通过对变压器结构件漏磁场计算和温度场 分析可知，进入结构件的漏磁通越大，产生的涡流 就越大，由涡流引起的温度就越高，并且热点温度 出现在涡流集中的部位。 参考文献： [1] 王建民,张元录,高 生,等. 大型变压器铁心拉板涡流损 耗的应用研究[J]. 变压器,1999，36(6)：1-3. [2] 郭 健， 林鹤云. 电力变压器附加损耗计算及影响因素 分析[J]. 高压电器，2008，44(6)：551-554. [3] 赵镇南. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，2002. [4] 金 明. 大型电力变压器早期失效机理分析[J]. 电力系 统及其自动化学报,1996，8(1)：47- 54. 作者简介： 额尔和木巴亚尔(1986-),男，内蒙古赤 峰人，沈阳工业大学硕士研究生，主要 从事电力变压器漏磁场及热问题的研 究工作。 李 岩 (1962-)，男，吉林吉林人 ，沈阳 工业大学特种电机研究所教授、 博士 生导师，长期从事变压器、永磁电机以 及 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 电磁场问题的研究工作。 收稿日期：2010-09-06 第 七 届 全 国 变 压 器 技 术 自 主 创 新 研 讨 会 暨 “ 科 宏 杯 ” 有 奖 征 文 活 动 通 知 为了推动我国变压器行业的快速发展，展示行业内近 年来取得的最新科研成果， 进一步促进行业的技术进步， 《变压器》 杂志编辑部在成功举办了六届全国变压器技术 自主创新研讨会的基础上，为满足广大读者的要求，拟于 2011 年 10 月召开第七届全国变压器技术自主创新研讨 会暨“科宏杯”有奖征文颁奖大会。此次活动由沈阳变压器 研究院主办，上海科宏电气控制组件有限公司协办，《变压 器》杂志编辑部承办。 为此， 特征集反映我国变压器行业近年来在变压器 （含互感器、电抗器、调压器及组件）及智能电网技术领域 自主创新的 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 。 一、征文范围 1．具有自主知识产权的变压器类新产品的开发设计； 2．变压器类新产品开发中的电场、磁场、温度场、机械 强度、短路力的研究； 3．变压器制造过程中独创的工艺方法和工装设备； 4．国内外领先的变压器试验技术、变压器故障检测技 术及 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 动态； 5．变压器运行维护的新 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 、新技术； 6．变压器基础理论研究的最新成果； 7．促进变压器类产品节能降耗的新技术、新工艺、新 材料； 8．有关计算机软、硬件技术在变压器新产品开发中的 应用； 9．变压器应用在智能电网、清洁能源、绿色环保等领 域的新进展。 二、奖项设置 本次所征集的论文将汇编成册，以论文集的形式内部 出版，优秀论文将陆续在《变压器》杂志上发表。 入选论文集的征文作者，将被邀请出席本次全国变压 器技术自主创新研讨会。 本次征文活动分设一、二、三等奖，将在研讨会上向获 奖作者颁发奖金和证书；未获奖第一作者将获赠精美纪念 品一份。 三、征文要求与联系方式 1．征文格式和要求参照“《变压器》杂志征稿启事”。 2．征文截止时间为 2011 年 8 月 31 日。 所有征文请 自留底稿，并请在论文上加注“征文”字样。 联系地址： 沈阳市浑南新区世纪路 39 号 沈阳变压器研究院 《变压器》杂志编辑部 联系人：牛惠娟 邮 编：110179 电话 ／传真：（024）23929375-11 （024）23787022-8226 （024）23929377 电子邮箱：sti-tp@vip.tom.com 有关本次活动的详细信息，请登陆中国变压器行业信 息网（http://www.ctn.cn）。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 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