摘要：由于我国一次能源和负荷需求的反向分布，大规模优化能源配置势在必行。在此背景下，国家电网公司正在全力打造全国高特强智能电网。特高压直流输电在远距离、大容量输电中具有无可比拟的优势，成为大规模输电、综合部署的重要组成部分。在此基础上，对超高压换流变压器的三维涡流场进行了计算，并对浓涡流屏蔽管进行了优化。得到屏蔽管的屏蔽尺寸和结构。
关键词：特高压；换流变压器；涡流损耗；电磁屏蔽；结构优化分析
1前言
换流变压器是直流输电系统中直流侧和交流侧的核心设备。随着特高压直流输电的不断发展和电压水平和容量的不断提高，换流变压器在运行过程中的谐波和漏磁场不断增加，谐波损耗问题越来越受到重视。
2计算模型
ZZDFPZ-340800/500-800型换流变压器是目前电压等级比较高的换流变压器，其结构复杂，内部结构主要是不规则形状。对变压器的涡流损耗和屏蔽进行了初步计算和分析。结果表明，采用铜屏蔽后，储罐表面的漏磁分布和涡流密度均有较大改善，但铜屏蔽的最佳尺寸尚未确定。另外，变压器交流引线铜屏蔽管端部涡流损耗相对集中，容易造成端部局部点温过高，如图1所示。
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图1交流引线屏蔽管涡流密度分布矢量图
因此，本文主要研究变压器油箱铜屏蔽的最佳尺寸，并对交流引线屏蔽管进行结构优化分析。根据磁路分析和变压器结构的对称性，对变压器进行了适当的简化。省略了绝缘纸板、端子线圈和分接开关的结构，并保持了交流引线结构，建立了变压器的1/2模型，如图2所示。
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图2变压器1/2有限元模型
3计算方法
根据表1，对模型的每个部分应用相应的材料特性，并执行模型的网格生成。在网格生成过程中考虑了趋肤效应对导体表面的影响。根据相关文献，油罐导磁钢板的穿透深度在2mm以内，铜板的穿透深度为10mm，非导磁钢板的穿透深度为60mm。因此，油箱在厚度方向上被分成四层，铜屏蔽在厚度方向上被分成两层。使用扫描模式。
表1变压器结构件材料属性
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4计算结果
4.1油箱铜屏蔽的结构设计
电力屏蔽经常用于屏蔽大容量变压器的储罐。屏蔽罩上产生的涡流可以防止泄漏磁通进入罐壁，从而降低罐壁涡流损耗。铜板作为屏蔽本身作为金属导体，也会产生一定的涡流损耗，所以在计算中，主要考虑的是油箱和屏蔽损耗之和。盾构结构图中有三个参数变量。铜屏蔽层的高度、宽度和厚度分别为h、w和d。它们起源于变压器的中心。在研究过程中，作者采用了单变量的方法。
4.1.1磁屏蔽厚度的确定
为了确定磁屏蔽的最佳厚度，计算了不同厚度条件下油罐和屏蔽体的磁场分布和涡流损耗。屏蔽厚度从0mm开始，从2mm增加到10mm。采用铜屏蔽后，电解槽涡流损耗由59kW降至18.57kW，降低了68.65%，电解槽和屏蔽的总损耗为28.67kW，比原有电解槽低51.6%，说明铜屏蔽效果明显。我们。此外，当屏蔽层厚度为2mm时，铜屏蔽层的损耗最大，为10.1kW，随着厚度的增加，铜屏蔽层的损耗逐渐减小；当屏蔽层厚度大于2mm时，燃油箱损耗基本不变。综合考虑涡流损耗和变压器运行条件，选择厚度为4mm的铜屏蔽。此时，损耗值为23.72kW。
在安装铜屏蔽后，部分燃料箱被铜屏蔽屏蔽。泄漏磁场主要集中在屏蔽边缘附近的箱形壁上。铜屏蔽表面的漏磁主要集中在绕组附近和绕组端部上端附近。这是因为绕组电流产生的磁场线开始向外转动并垂直进入屏蔽层，使得漏磁集中在这里。
4.1.2磁屏蔽高度的确定
优化了罐内铜屏蔽层厚度，优化了屏蔽高度。当厚度为4mm时，计算出油箱和屏蔽体的磁场分布和涡流损耗。当铜屏蔽高度为1.25米时，位置与绕组高度一致。油箱和铜护板的总损失为63.94千瓦，不能满足设计要求。随着屏蔽高度的增加，两端的损耗减小。当屏蔽高度大于2.18m时，下降趋势趋于缓和。综合考虑后，屏蔽高度为2.18m，箱体和屏蔽层的总损耗为23.88kW。
4.1.3磁屏蔽宽度的确定
在确定了铜屏蔽的厚度和高度后，进一步研究了屏蔽宽度对燃油箱涡流损耗的影响。屏蔽宽度对屏蔽损失影响不大，随着屏蔽宽度的增加，其损耗减小。当盾构宽度大于3.175m时，损失的变化趋势平缓。综合考虑，最佳屏蔽宽度为3.175m，相应的涡流损耗为25.05kW，满足工程要求。
4.2交流引线屏蔽管的结构设计
特高压换流变压器的引线复杂，经常安装在金属结构附近。由于引线绝缘表面不可避免的毛刺，当施加大电流时，电场将集中在毛刺表面，从而破坏引线的绝缘，增加结构的涡流损耗。因此，在变压器制造中，经常选择引线穿过一定直径的铜屏蔽管，不仅使引线的表面场均匀，而且便于引线固定在变压器上的路径。然而，在屏蔽管端部，由于引线和绕组电流的双重作用，泄漏磁场和涡流密度趋于集中。通过对变压器早期积分涡流损耗的计算，得出涡流主要集中在变压器交流引线屏蔽管进口的结论。
屏蔽管的温升与涡流损耗密切相关。本文对屏蔽管进行了磁热耦合仿真。结果表明，屏蔽管的温度可以达到150度，无需任何措施。屏蔽管的最高温度在管端芯附近，这是由交流绕组产生的漏磁场与引出线叠加引起的。如果散热不当，容易损坏周围绝缘，因此有必要对屏蔽管的端部结构进行优化，以降低其温度。针对屏蔽管涡流集中的位置，设置槽。当缝隙宽度为1cm时，屏蔽管的温度分布由0cm到11cm计算。
随着槽高的增加，屏蔽管的温度不断降低，但最大涡流密度没有明显的规律。屏蔽管的最高温度与开槽高度近似线性。当开槽高度为10.5cm时，屏蔽管的最高温度下降到102，满足变压器运行的最高温度要求。另外，虽然损失分布不均匀，但由于铜的高导热性，开槽后铜管引线的温度分布更加均匀，管端温度大多在80～90摄氏度之间。当沟槽高度为10.5cm时，计算沟槽宽度为1cm～2.5cm和宽度间隔为0.5cm时屏蔽体的温度分布。槽宽对最高温度的影响是可以忽略不计的。考虑到管道的机械强度和加工难度，槽的宽度为2cm。
5结语
利用电磁场有限元分析软件，计算了UHV换流变压器模型ZZDFPZ-340800／500—800的三维涡流场。通过对计算结果的分析和比较，改进了燃料箱铜屏蔽结构和集中涡流屏蔽管，得到了以下结。从这个角度来看。
（1）计算了换流变压器的涡流损耗。结果表明，当铜屏蔽罩安装在槽表面时，涡流损耗大大降低，而在交流引线屏蔽管端部涡流损失太大。
（2）优化换流变压器油箱尺寸。当铜护板的厚度、高度和宽度分别为4mm、2.18m和3.175m时，油箱损耗满足要求，具有一定的经济性。
(3)通过管端开槽，解决了交流引线铜屏蔽管端部温度集中的问题。开槽后铜管的温度分布均匀，最高温度可降至102度，满足工程要求。
参考文献
[1]彭超，雷清泉.局部放电超高频信号时频特性与传播距离的关系[J].高电压技术，2013，39(2)：348-353.
[2]韩芳旭.换流变压器谐波损耗及热问题的计算与分析[D].沈阳：沈阳工业大学，2011：20-29.
论文作者:石义帅
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/12
标签：屏蔽论文; 涡流论文; 引线论文; 变压器论文; 厚度论文; 宽度论文; 开槽论文; 《基层建设》2018年第29期论文;