大容量电力变压器杂散损耗的数值分析计算.pdf

设计计算 大容量电力变压器杂散损耗 的数值分析计算 郭满生 （保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056） 摘要：分析了运用传统经验公式计算变压器杂散损耗的缺陷，提出了大型电力变压器油箱等结构件杂散损耗的数 值计算方法，并以实例进行了对比分析。 关键词：杂散损耗；计算；三维模型 中图分类号：TM4011文献标识码：B文章编号：10018425（2010）11000104 Numerical Analysis and Calculation of Stray Loss of Large Power Transformer GUO Man-sheng （Baoding Tianwei Baobian Electric Co.,Ltd., Baoding 071056, China） Abstract：The problems to calculate transformer stray loss with traditional empirical formula is analyzed. The numerical calculation method of oil tank of large power transformer is present- ed. The examples are compared and analyzed. Key words：Stray loss；Calculation；3D model 1 引言 近年来，随着我国超、特高压电力变压器额定容 量的不断增加（单相容量1 000MVA）,变压器负载 损耗特别是杂散损耗的准确计算越来越成为制约产 品设计的重要课题。 负载损耗是变压器的主要性能 参数之一，其直接影响产品电磁线的用量，对产品成 本的影响较大。如果负载损耗小于规定值很多，必然 增加材料成本。 如果因设计和试验的偏差较大而造 成产品负载损耗比规定值大，不仅不符合合同要求， 而且有可能造成产品局部过热问题。因此，准确把握 负载损耗的设计值至关重要。 变压器的负载损耗主要是绕组导线的电阻损 耗、绕组的附加损耗（包括导线的涡流损耗及不完全 换位损耗）、引线损耗以及钢铁结构件中的杂散损耗 等。由于漏磁通路径的复杂性，对钢铁结构件（夹件、 拉板及油箱等） 中产生的杂散损耗通常采用经验公 式进行计算1。 由于变压器容量的增加和运输尺寸 的限制，该类损耗在总损耗中的比重呈增加趋势，而 变压器构件尺寸的改变所引起的磁场效应的变化常 使经验公式对这一损耗的计算存在较大偏差。 因此 需要对大容量变压器的杂散损耗分布进行定量的分 析计算， 并为结构上采取措施限制变压器的局部过 热提供设计依据。 本文中笔者以投入运行的电力变压器ODFPS- 334000/500为研究对象，应用MAGNET软件，采用 数值分析的方法对该变压器钢铁结构件中的杂散损 耗进行了定量的分析计算， 并与实测结果进行了比 对。 分析表明，计算结果是有效的。 本文中有关磁场 分布、 损耗密度等仿真计算数据， 为单柱容量为 334MVA的大型电力变压器、 同类型结构大容量变 压器的杂散损耗的设计计算和防止构件局部过热提 供了合理的依据和参考。 2 建模 本次建模运用加拿大某公司的MAGNET软件 计算变压器三维涡流漏磁场。 由于三维涡流场需要耗费很多计算资源,根据 变压器结构的对称性以及所要研究问题的特点,对 漏磁场计算模型做如下考虑。 （1）变压器在结构上对称,求解区域取整个变 压器结构的1/2。 TRANSFORMER 第 47 卷 第 11 期 2010 年 11 月 Vol.47 November No.11 2010 第 47 卷 （2）忽略铁心内涡流和高、低压绕组，调压、励 磁绕组内环流和涡流对漏磁场的影响。 （3）各绕组总安匝等于零,绕组各分区内的电 流密度认为均匀分布。 （4）因引线电流较小，没有考虑引线漏磁场对 油箱的影响。 （5）由于变压器铁心、油箱磁屏蔽等选用优质 硅钢片，忽略铁心硅钢片和磁性材料结构件的磁滞 特性。 （6）未考虑拉带等小构件的影响。 （7）未考虑取向磁性材料的各向异性。 （8）考虑材料非线性。 三维实体模型如图1所示。 3 计算方法 铁磁构件中的损耗主要包括涡流损耗和磁滞 损耗，可分别计算。 对于铁磁构件涡流区域的损耗，基于T-方法2 用以下公式计算。 塄H=Jb（1） H=-塄+Hb（2） 塄Hb=Jb（3） 塄B=塄（-塄+Hb）=0（4） 在得到Jb后可求得单元的涡流损耗。 对于钢板的磁滞损耗，求出磁密最大值Bm后查 钢板磁滞损耗曲线，即可得到每个单元上的磁滞损 耗。 对于铁心或硅钢板构成的材料， 如磁屏蔽等， 通过场解得到的每个单元上磁密最大值Bm查相应 频率的总损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）曲线3-4， 可得到每个单元上的损耗P， 再将每个单元的损耗 累加便得到该部件上的损耗。 即： 在建立了损耗和磁密的幅值（WBm）的曲线之 后，按式（1）计算损耗W： W= Ne i=1 We(Bme)Ve（5） 式中材料密度 Ve单元体积 Bme单元磁密的幅值 We单元的损耗 为了比较确切地计算构件中的涡流损耗， 需要 考虑透入深度， 并采用高阶剖分单元等细化网格等 措施。 4 数值结果分析 该变压器各构件磁场分布如图2和图3所示。 从图2和图3可以看出，在正常运行条件下，该 变压器漏磁密分布较大的部位集中在油箱磁屏蔽、 夹件磁屏蔽和夹件等构件之中。 根据变压器实际运行情况，分别在高压绕组、低 压绕组、励磁绕组和调压绕组中施加相应的电流，在 工频条件下计算得到各构件的涡流损耗密度并通过 积分求得各构件的总损耗。 以中部油箱为例，图4图6分别用三维图表示 出了中部油箱的磁滞损耗分布、 涡流损耗分布以及 损耗密度的大小和方向分布。 为了进一步说明，将上夹件、肢板等构件的磁滞 损耗分布、 涡流损耗分布以及损耗密度的大小分布 图1变压器计算模型 Fig.1Calculation model of transformer 图2变压器磁场分布图1 Fig.2Diagram of magnetic field distribution of transformer 图3变压器磁场分布图2 Fig.3Diagram of magnetic field distribution of transformer 2 郭满生： 大容量电力变压器杂散损耗的数值分析计算第 11 期 分别用三维图表示，见图7图9。 表1给出了各构件杂散损耗的计算值、各构件 杂散损耗在总损耗中所占的比例以及构件平均损耗 密度。 由表1可看出，拉板和油箱屏蔽中的杂散损耗 在总损耗中占的比例较大，其余依次为油箱、夹件和 铁心。 而损耗密度按由高到低的顺序依次为拉板、 夹件、油箱屏蔽、油箱和铁心，这一分布符合实际情 况。 表2给出了构件杂散损耗仿真计算值与试验值 图4中部油箱磁滞损耗分布 Fig.4Hysteresis loss distribution in middle tank 图5中部油箱涡流损耗分布 Fig.5Eddy current loss distribution in middle tank 图6中部油箱涡流损耗密度大小和方向分布 Fig.6Eddy current loss density distribution in middle tank 图7上夹件损耗密度大小分布 Fig.7Loss density distribution of upper clamp 图8上夹件涡流损耗分布 Fig.8Eddy current loss distribution of upper clamp 图9上夹件磁滞损耗分布 Fig.9Hysteresis loss distribution of upper clamp 表1变压器各构件的杂散损耗和损耗密度 Table 1Stray loss and loss density of transformer parts 构件损耗密度/Wm-3 铁心0.16 油箱2.73 油箱屏蔽10.7 拉板203.1 夹件16.1 杂散损耗/W 1 642 3 844 3 486 22 232 9 318 占总损耗比例/% 4.05 54.86 8.60 9.49 23.0 3 第 47 卷 的偏差。 由于试验值不可能区分出每个构件的具体 杂散损耗数据，因此表2是一个总值的比较。 表2的数据显示， 变压器杂散损耗的仿真计算 值比实测值大4.4%,对于大容量变压器杂散损耗的 计算是有效的。 5 结论 （1）随着我国超、特高压电力变压器额定容量的 不断增加， 使用传统经验公式计算变压器杂散损耗 的局限性日益明显。 （2）基于有限元的电磁分析技术日益成熟，运用 数值分析技术计算变压器三维磁场及杂散损耗是可 行的。 数值分析计算不仅为杂散损耗的确切计算提 供了可能，而且有助于分析各结构件的损耗密度，并 为从结构上采取措施限制变压器的局部过热提供了 依据。 （3）本文中对单柱容量为334MVA的大型电力 变压器杂散损耗的计算表明： 拉板和油箱屏蔽中的 杂散损耗在总损耗中所占的比例较大， 而损耗密度 较大的构件为拉板、夹件。 （4）本文中算例杂散损耗的仿真计算值比实测 值大4.4%,随着计算分析的深入和计算经验的积 累，偏差有望降低。 （5）本文中对单柱容量为334MVA的大型电力 变压器的有关磁场分布、损耗密度等仿真计算数据， 为同类型结构大容量变压器杂散损耗的设计计算和 防止构件局部过热提供了合理的依据和参考。 参考文献： 1路长柏，朱英浩.电力变压器计算M.沈阳：辽宁科学 技术出版社，1990. 2Webb J P, Forghani B. DC current distributions and magneticfieldsusingtheT -OmegaEdge -element methodJ. IEEE Trans. Magn.，1995，31（3）：1444-1447. 3Takahashi N，Sakura T，Cheng Z. Non-linear analysis of eddy current and hysteresis losses of 3-D stray-field lossmodel(Problem21) J.IEEETrans.Magn.， 2001，37（5）：3672-3675. 4Cheng Z，Hao R，Takahashi N，et al. Engineering-orient- ed benchmarking of Problem 21 family and experimen- tal verificationJ.IEEETrans.Magn.，2004，40（2）： 1394-1397. 表2构件杂散损耗仿真值与试验值 Table 2Simulated and tested values of stray loss of parts 类型杂散损耗/W 仿真计算值40 522 试验测量值38 810 偏差4.4% 收稿日期：2008-11-28 作者简介：郭满生（1967-），男，山西原平人，保定天威保变电气股份有限公司高级工程师，主要研究方向为大型电力变压器 产品设计和开发。 ! 中国研制成功单柱容量特高压变压器 日前，由中国西电集团公司自主设计、自主制造的世界 首台1 000kV、1 000MVA双柱结构、单柱容量500MVA特高 压自耦变压器，在西电集团常州西电变压器有限责任公司通 过全部例行试验和型式试验，打破了国际上特高压变压器单 柱最大容量334MVA的世界纪录，标志着中国特高压交流工 程建设技术创新取得新的重大进展、装备制造业自主创新成 果得到了巩固和发展。 1 000kV、1 000MVA特高压变压器，由西安西电变压器 有限责任公司立项和设计，在常州西电变压器有限责任公司 制造，其代表了当今世界特高压变压器设计、制造的最高水 平。 试验结果表明，1 000kV、1 000MVA特高压变压器在绝 缘耐受能力和局部放电、温升及噪声等关键指标上均达到世 界领先水平， 较同容量三柱式特高压变压器有了新的进步， 实现了通过特高压工程建设提升国内输变电制造技术达到 国际领先水平的目标。 ABB为法国的区域性列车提供变压器 ABB公司近日宣布获得阿尔斯通公司交通运输部2500 万美元设备订单，为其制造的新型 “Regiolis系列”区域 性列车提供最新的牵引变压器设备。 该系列车型将交付法国 国家铁路公司运营。 该牵引变压器体积非常小，冷却系统内置，支持Regio- lis区域性列车的模块化设计。Regiolis是单层、低地板 式列车，具有较高的安全性，该车型时速可达160km，有电力 驱动和混合能源驱动两种规格， 支持15kV和25kV两种运 行电压等级。 该车型采用了环保材料，能耗比部分同类车型 降低约15%。 4