基于有限元分析的電力變壓器若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、隨著電力變壓器不斷向大容量、高功率密度方向發(fā)展，電力變壓器的電磁、發(fā)熱和短路行為的分析研究在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中發(fā)揮著愈來愈重要的作用，其磁場(chǎng)、損耗、溫度和電動(dòng)力分布的準(zhǔn)確計(jì)算已成為電力變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高運(yùn)行可靠性的重要手段。 本課題致力于通過物理場(chǎng)有限元分析研究電力變壓器的磁場(chǎng)、損耗、溫升、短路參數(shù)和短路穩(wěn)定性等方面的特征和特點(diǎn)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并尋求快速有效的計(jì)算方法，解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造和性能預(yù)估中的主要關(guān)鍵理論與技術(shù)。本文研究工作

2、和成果如下： (1)根據(jù)二維磁場(chǎng)中矢量磁位與磁通之間的基本關(guān)系，建立了計(jì)算鐵心空載磁場(chǎng)的二維有限元模型。從鐵磁材料損耗產(chǎn)生機(jī)理入手，對(duì)鐵心空載損耗進(jìn)行了計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，研究了不同接縫形式對(duì)空載損耗的影響，提出了衡量不同階梯接縫形式對(duì)搭接區(qū)域損耗影響的度量尺度。通過對(duì)多臺(tái)不同型號(hào)變壓器空載試驗(yàn)，驗(yàn)證了空載損耗模型的合理性。 (2)建立了變壓器的漏磁場(chǎng)及渦流損耗計(jì)算的三維有限元模型，并通過鐵心材料磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的各向異性來

3、等效鐵心疊積效果，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗分布和總渦流損耗在各結(jié)構(gòu)件中所占比例，并對(duì)渦流損耗計(jì)算時(shí)，各主要結(jié)構(gòu)件間存在的相互影響進(jìn)行了定量研究?；凇皥?chǎng)路”耦合的方法，建立了單螺旋繞組支路電流及環(huán)流損耗計(jì)算的統(tǒng)一模型，對(duì)不同換位形式的支路電流分布、繞組損耗及影響因素進(jìn)行了研究，并提出以短路阻抗和電流變比作為判斷模型合理與否的標(biāo)準(zhǔn)。 (3)以流體的邊界層厚度和繞組軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)為依據(jù)對(duì)變壓器繞組模型進(jìn)行了二維簡化，并引入等效熱導(dǎo)率

4、的概念使得繞組可以根據(jù)不同的形式進(jìn)行離散。建立了油浸變壓器銅油溫升計(jì)算的流固耦合有限元模型，控制方程中考慮了流體的物性參數(shù)隨溫度變化的特性，以此求得了高、低壓繞組在額定電流下相對(duì)于變壓器油的平均溫升以及各點(diǎn)溫度和流場(chǎng)分布。對(duì)網(wǎng)格精度，氣道寬度以及等效熱導(dǎo)率對(duì)溫度計(jì)算結(jié)果和分布的影響進(jìn)行了研究。 (4)基于場(chǎng)路耦合的方法，建立了三相三柱變壓器零序阻抗的有限元模型，對(duì)YN、ZN聯(lián)接變壓器在開路和短路情況時(shí)的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了分析，并對(duì)不

5、同端口電壓、外殼有無“D”作用時(shí)的零序阻抗數(shù)值進(jìn)行了比較。 (5)建立了計(jì)算變壓器三相出口短路電流的三維暫態(tài)場(chǎng)路耦合模型，通過聯(lián)合求解電路和電磁場(chǎng)方程，得到了繞組的短路電流和電動(dòng)力，并對(duì)不同短路時(shí)刻的短路電流和短路電動(dòng)力進(jìn)行了比較，指出了三相出口短路時(shí)的最嚴(yán)重短路角。分別建立了繞組軸向振動(dòng)的三維和一維有限元模型，將短路磁場(chǎng)作用下的電動(dòng)力作為軸向振動(dòng)的載荷對(duì)其進(jìn)行軸向機(jī)械穩(wěn)定性分析和模態(tài)計(jì)算，并比較了兩種模型的計(jì)算結(jié)果。最后制定了