电力变压器漏磁场和短路阻抗计算.pdf
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1、电力变压器漏磁场和短路阻抗计算 韩芳旭,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:建立了双绕组有载调压电力变压器三维漏磁场和等效电路模型,采用场-路耦合方法对其漏磁场和短路阻抗 进行了仿真计算。 关键词:电力变压器;短路阻抗;有限元;漏磁场 中图分类号:TM4011文献标识码:B文章编号:10018425(2010)10000904 Calculation of Leakage Magnetic Field and Short Circuit Impedance of Power Transformer HAN Fang-xu, LI Yan, SUN
2、Xin (Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China) Abstract:The 3D leakage magnetic field and equivalent circuit models of two-winding on- load-tap-changing power transformer are established. The leakage magnetic field and the short circuit impedance are simulated and calculated with fi
3、eld-path coupling method. Key words:Power transformer;Short circuit impedance;Finite element;Leakage magnetic field 基金项目:辽宁省高校创新团队项目资助(编号2009T076,LT2010080) 1 引言 短路阻抗Uk(%)是电力变压器性能指标中的一 个重要参数,它的大小涉及变压器的成本、效率、电 压变化率、机械强度和短路电流等,对其出厂时的实 测值与规定值之间的偏差要求很严。因此准确计算变 压器的短路阻抗是电力变压器设计时的重要工作1。 根据漏磁场计算方法的不同, 短路阻抗的
4、计算分为 解析法、磁路法、能量法和场路耦合法等2。 当变压 器绕组采用不同的分接型式时, 漏磁场的分布规律 将发生变化, 传统的设计计算方法常常难以满足计 算的要求精度。因此,本文中笔者采用基于有限元的 场路耦合方法对电力变压器的漏磁场及不同分接型 式下的短路阻抗进行仿真分析。 笔者以两台双绕组有载调压变压器为分析对 象,针对电力变压器的复杂结构,进行了合理简化与 假定。采用电磁场有限元分析软件,分别建立了变压 器二维和三维漏磁场有限元模型, 利用场-路耦合 方法仿真得到了不同分接型式下的磁场能量和绕组 电压,进而准确地计算出短路阻抗,并与试验数据进 行了对比分析。 2 短路阻抗计算方法 变压
5、器中的漏磁场主要是由绕组电流产生,准 确计算漏磁场及其分布对确定变压器短路阻抗至关 重要。 就一般变压器而言,除小容量变压器之外,都 具有Ukx(%)Ukr(%)的关系。 只有当变压器的容量小 于1 000kVA时,才需要考虑电阻分量Ukr(%)的影 响,所以对于大中型变压器,Ukr(%)一般可以忽略不 计,近似取电抗分量,因此,大中型变压器短路阻抗 的计算主要是短路电抗Ukx(%)的计算。 2.1能量法 变压器中储存的磁场能量, 是在磁场建立过程 中由外源做功转换而来, 由磁场分布就可以求得磁 场储能,进而计算出绕组的短路阻抗,这种基于磁场 能量计算短路阻抗的方法即为能量法。 当绕组中通 T
6、RANSFORMER 第 47 卷 第 10 期 2010 年 10 月 Vol.47 October No.10 2010 第 47 卷 有电流Ik时,磁场能量Wm为: Wm= 1 2 LIk2 式中Wm磁场能量,J L绕组电感,H Ik相电流,A 漏电抗与磁场能量的关系为: Xk=4f Wm Ik2 式中Xk漏电抗, f电源频率,Hz 当短路阻抗的电阻分量可以忽略不计时, 漏电 抗即为短路阻抗,因此,短路阻抗百分数为: Uk%Ukx%= XkIk Uk 100% 式中Uk相电压,V Uk%短路阻抗百分数 2.2电压法 根据短路阻抗定义,将一个绕组接成短路,另一 个绕组施加额定值大小的电流时
7、, 根据磁势平衡原 理,短路绕组中电流也达到额定值。此时励磁绕组的 电压降为U,利用下式即可计算出短路阻抗值。 Uk%= U UN 100% 式中U励磁绕组的计算电压,V UN励磁绕组的额定电压,V 3 短路阻抗分析过程 3.1计算模型的简化与假定 笔者应用电磁场分析软件, 根据变压器结构的 对称性以及电磁分布的特性, 对计算模型做如下简 化与假定3: (1)变压器在结构上对称,箱体关于三相绕组中 心平面前后对称,计算模型取整个变压器结构的1/2。 (2)忽略铁心内涡流、高低压绕组内环流和金属 构件材料的磁滞特性对漏磁场的影响。 (3)所有场量均随时间做正弦变化,不考虑高次 谐波,金属导体的电
8、导率为常数,忽略位移电流的影 响。 (4)电流密度在绕组各安匝分区内均匀分布,铁 心和油箱按非线性材料处理。 3.2变压器电磁场数值分析模型 本文中以两台有载调压电力变压器为例, 采用 时谐场(Time-Harmonic)计算方法,外建等效电路模 型,并施加相应的励磁电流进行计算。变压器的三维 有限元分析模型如图1所示, 其中高压绕组中部一 段高度为调压区。 结构件材料属性如表1所示, 铁心和油箱材料 分别为30RGH120硅钢片和Q235钢, 磁导率赋予 非线性B-H曲线, 不考虑铁心叠片的涡流损耗,电 导率给定为0。 变压器绕组参数如表2所示, 其中调压区位于 高压绕组中部, 在结构上将高
9、压绕组分成上下两部 分,在电气连接上相对独立。 忽略高低压绕组内环流和涡流, 绕组采用绞导 线(默认电流密度均匀分布),高低压绕组反向,且三 相互差120。 等效电路模型如图2所示。 4 计算结果分析 本文中对两台有载调压电力变压器的短路阻抗 进行了2D和3D计算,图3为3D漏磁场分布图,图 4为磁场计算位置示意图。 x y z G 图13D计算模型(变压器的1/2) Fig.13D calculation model (1/2 of transformer) 表1变压器结构件材料属性 Table 1Material properties of transformer structure 结构
10、件电导率/Sm-1 铁心2.22106 绕组5.714 3107 油箱6.484106 材料 30RGH120 电工铜 Q235 磁导率 B-H曲线 B-H曲线 绕组匝数 高 压 607 552 497 低压287 最大分接 额定分接 最小分接 内径/mm 265.5 195 外径/mm相电流/A 318 94.5 103.9 115.4 241.5200 表2变压器绕组参数(产品一) Table 2Transformer winding parameters (Product 1) 10 韩芳旭、 李岩、 孙昕: 电力变压器漏磁场和短路阻抗计算第 10 期 表3磁场能量和绕组电压计算结果 T
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