摘要：近年来，220kV变压器夹件-磁屏蔽结构三维漏磁场仿真分析得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文中作者运用MagNet 软件计算了220kV 变压器的漏磁场，并重点阐释了夹件-磁屏蔽结构的3D建模方法。阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。
关键词：220kV变压器；夹件-磁屏蔽结构；三维漏磁场
1前言
随着计算机运算速度的提高和算法的日臻完善，基于有限元（FEM）的变压器3D 漏磁场分析软件被广泛应用， 如ANSOFT、MagNet 和MAXWELL等。它们不仅能准确计算夹件的磁通密度和损耗密度，也能根据磁-热耦合场分析热点温升。对于大容量超高压变压器， 很多产品往往采用夹件-磁屏蔽结构以降低漏磁影响。利用有限元软件采用合适计算方法准确分析夹件-磁屏蔽结构的漏磁场也变得越来越重要。许多企业和科研院所在夹件-磁屏蔽方面也不断开展理论研究。
本文中笔者主要从软件验证方法的角度， 通过MagNet 软件来计算夹件-磁屏蔽结构的漏磁场，并使计算结果接近实际。
2 夹件- 磁屏蔽结构
变压器的结构件主要包括夹件（包括腹板和肢板）、拉板和油箱。目前，在大容量超高压变压器中，肢板多采用低磁钢板以减小杂散损耗； 腹板根据产品的容量和技术水平选用材质。本文中以60MVA/220kV 变压器为例，铁心型式采用单相三柱式。夹件分为碳素结构钢（Q235 钢）组成的腹板和由低磁钢板（20Mn23Al）组成的肢板。夹件磁屏蔽位于肢板和绕组之间。该结构可以在降低夹件材料成本的同时，有效降低夹件的杂散损耗。
该夹件-磁屏蔽结构中，绕组主空道中的漏磁主要分为两大部分： 一部分穿过夹件和夹件磁屏蔽进入铁心形成磁通回路； 一部分穿过油箱和油箱磁屏蔽形成磁通回路。理论上，采用夹件-磁屏蔽结构之后，穿过夹件的漏磁通由于磁屏蔽（硅钢片）的引磁，使得夹件中穿过的漏磁通降低，从而减少了杂散损耗。
3 计算分析
变压器3D 漏磁场计算主要包括三维建模、材料赋值、约束设定、网格划分和计算处理等几个阶段。
（1）三维建模。
本例中三维模型包括如下几个部分： 铁心、绕组、拉板、夹件腹板、夹件肢板、夹件磁屏蔽、油箱和油箱磁屏蔽。（2）三维建模过程中，有时为了建模方便，往往将铁心叠积图用铁心填充圆形来等效；有时磁屏蔽只是大概放置在夹件附近而不严格控制它与铁心距离。笔者通过计算对比发现，这样的模型对于大容量的220kV 变压器并不合适，容易造成杂散损耗结果偏大。这是因为在三维模型中，夹件腹板、夹件磁屏蔽和铁心三者之间的相互距离比较小。如果腹板选用的是导磁材料，来自绕组主空道的漏磁进入磁屏蔽后，并不会沿磁屏蔽全部进入铁心；有一部分漏磁会选择穿过腹板进入铁心。这就使得夹件腹板中穿过的漏磁变大，杂散损耗和温升也会随之偏高。腹板为普通碳素钢的导磁材料，假设磁阻为Rclamp。磁路a 中磁屏蔽离铁心最小距离对应的空气磁阻设为Ra-air。磁路b 中夹件离铁心最小距离对应的空气磁阻为Rb-air。假设磁屏蔽的磁阻为Rshield，在忽略硅钢片的磁各向异性的情况下，硅钢片的磁阻Rshield≈0。因此经过等效以后的夹件-磁屏蔽的磁阻。腹板为普通碳素钢的导磁材料，假设磁阻为Rclamp。磁路a 中磁屏蔽离铁心最小距离对应的空气磁阻设为Ra-air。磁路b 中夹件离铁心最小距离对应的空气磁阻为Rb-air。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆假设磁屏蔽的磁阻为Rshield，在忽略硅钢片的磁各向异性的情况下，硅钢片的磁阻Rshield≈0。因此经过等效以后的夹件-磁屏蔽的磁阻。需要注意的是，如果考虑磁屏蔽的磁各向异性，根据其布置特点，其叠片水平方向应为X 轴、Z 轴，叠片垂直方向为Y 轴，（3）约束设定和网格划分。设置电流源，包括各绕组的电流、匝数等。对于MagNet 软件，油箱采用表面阻抗法去计算可以较准确地计算出油箱的杂散损耗， 同时油箱所用A3 钢板计算会耗费大量资源，用表面阻抗法也可大大缩短计算时间。（4）计算处理。由于材料属性设置的是非线性材料，所以应尽量采用非线性迭代求解计算。
①La应越小越好。但实际在变压器设计中，La一般不为0。因为铁心和夹件磁屏蔽往往分别接地，夹件磁屏蔽的末端包有绝缘纸板。一般La距离约为5mm-10mm。②Lb要越大越好。实际变压器设计中，这部分距离是固定的（即夹件内表面到铁心表面距离）。但如果采用铁心填充圆，Lb会因圆弧突出变小，从而导致Rb-air变小。采用铁心叠积建模则可以保证夹件与铁心之间的距离不会变化。此外，铁心填充圆模型有时无法使磁屏蔽伸入到铁心级与级间的空缺， 来保证La的距离更小。磁屏蔽的末端可以紧贴入铁心的级间空缺。
4 结果比较
本文中笔者分析的高压-中压绕组运行时漏磁场结果。在调压绕组为最小分接情况下，以高压侧上夹件为例。模型A 与模型B 相比较结果相差还是较大的。不仅夹件腹板部位的杂散损耗偏大，热点温升也会高出很多。由总的杂散损耗可知，铁心叠积模型的仿真结果更接近参考试验值结果。因此在计算大容量的220kV 变压器时，采用铁心填充圆模型且夹件腹板为普通碳素钢材料的情况下， 容易引起夹件漏磁场仿真结果的较大误差。
低压侧采用35kV电压等级，为使低压侧母线电压波动满足要求，需提高低压侧短路电流（容量）。然而，短路电流与短路阻抗成反比，提高短路电流，则需减小短路阻抗，电网所受的影响将会增大，系统中开关开断的短路电流也大。当变压器短路时，绕组会遭受巨大的电动力并产生更高的短路温升，给变压器制造的结构和造价带来大幅度的增长。一般在电网中很少采用小阻抗变压器的方法来满足电压波动的需求。
根据我国对电压等级的划分，一般把110kV电压等级称为高压电网，35kV和66kV电压等级为中压电网;66kV和35kV设备在绝缘考虑上相差不大，造价也相近，110kV电压等级由于绝缘的原因造价比66kV和35kV高不少。由最新的“电网工程设备材料信息价”110kV、66kV和35kV断路器设备的信息价如表2所示。
每组变压器需要5组配电装置，4组电容器和1组电抗器，若低压侧采用35kV电压等级，低压侧造价约1972万元（5×20+1×200+4×418）;采用66kV电压等级，造价约2262万元;采用110kV电压等级，造价约3100万元。综合考虑低压侧电压波动、变压器短路阻抗和设备造价等因素，变压器低压侧采用66kV电压等级较合理。
结论
本文中笔者通过采用三维FEM 磁场分析软件MagNet， 对一种大容量220kV 变压器的夹件-磁屏蔽结构做三维漏磁场仿真分析， 阐释了三维模型在建模过程中因使用铁心填充圆等效模型和夹件磁屏蔽放置不到位可能造成的杂散损耗偏大和热点温升较高的问题，并通过对比计算结果得出结论，在对大容量的220kV 以上变压器的夹件-磁屏蔽结构做三维漏磁场分析过程中，如果夹件腹板为导磁材料时，应使用铁心叠积模型并控制铁心与磁屏蔽最小距离越小越好，以保证软件计算结果与实际结果相符合。
参考文献：
[1] 谢毓城. 电力变压器手册[M].北京:机械工业出版社,2003.
[2] 李岩,额尔和木巴亚尔,张宵霆，等. 变压器磁-热耦合计算与局部过热屏蔽措施[J]. 沈阳工业大学学报,2012(34):366-371.
论文作者:陈兴土
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/23
标签：屏蔽论文; 铁心论文; 腹板论文; 变压器论文; 磁阻论文; 磁场论文; 绕组论文; 《电力设备》2017年第19期论文;