电力变压器中不同磁屏蔽的建模、仿真和基准化实验验证

2015-06-06 01:26李永刚李悦宁程志光赵志刚
电工电能新技术 2015年2期
关键词:平板式涡流损耗铁心

李永刚,李悦宁,程志光,赵志刚

(1.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003;2.国网河北徐水县供电有限责任公司,河北保定072556;3.保定天威集团公司,河北保定071056; 4.河北工业大学电气工程学院,天津300130)

电力变压器中不同磁屏蔽的建模、仿真和基准化实验验证

李永刚1,李悦宁2,程志光3,赵志刚4

(1.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003;2.国网河北徐水县供电有限责任公司,河北保定072556;3.保定天威集团公司,河北保定071056; 4.河北工业大学电气工程学院,天津300130)

大型电力变压器中的磁屏蔽和电磁屏蔽可控制绕组产生的漏磁通的分布,避免金属构件中的杂散损耗(包括涡流损耗和磁滞损耗)过度集中导致局部过热,引起绝缘部件受损,进而有效地节能降耗,提高运行的可靠性。本文对电力变压器产品中采用的平板式和立式两种不同叠积方式构建的磁屏蔽进行三维建模仿真计算,重点考察研究并比较了平板式和立式磁屏蔽的磁密分布和损耗;进一步改进了测量磁屏蔽损耗的实验平台,为构件杂散损耗测量提供了更合理的漏磁通补偿条件;验证了建模和仿真计算的有效性。本文结果对优化变压器磁屏蔽设计具有重要的参考价值。

漏磁通;磁屏蔽;磁密分布;杂散损耗

1 引言

大型电力变压器中采用的磁屏蔽和电磁屏蔽可控制漏磁通的分布,节能降耗,避免局部损耗密度过度集中,产生危险的局部过热,提高产品运行可靠性。由高导磁材料制成的磁屏蔽的作用在于产生磁阻小、损耗低的磁分路,达到节能降耗的目的[1]。

详尽地考察磁屏蔽内部的磁密和损耗分布,对于优化磁屏蔽的结构具有重要意义。然而磁屏蔽叠片结构的合理建模和精细的有限元分析并非易事。而且,实验验证屏蔽建模和分析的有效性也颇具挑战性。屏蔽损耗难于直接测得,需从所测得总损耗中减去激励绕组和铁心中产生的损耗,才能将其分离出来。困难在于激励绕组和铁心的损耗是与漏磁通的分布直接相关,即屏蔽结构的存在与否将改变激励绕组和铁心的损耗。

本文目的是研究不同磁屏蔽结构的建模和仿真方法,并进行基准化模型实验验证。为了提高屏蔽中杂散损耗的测量精度,对原有的测量装置和方法进行了改进。

2 镜像测量法

本文主要考察磁屏蔽的损耗,难点在于将部分损耗从测量的总损耗中分离。磁屏蔽的存在与否,将影响绕组的漏磁场的分布,激励装置的损耗也会发生变化。镜像测量方法可将漏磁通进行补偿,以便能够有效分离磁屏蔽的损耗,本节根据文献[2]提出的镜像测量方法,做了进一步改进与研究。

2.1 镜像测量原理

在负载测量装置中,铁心磁导率为非线性,在测量的总损耗中存在铁心和激励绕组的损耗,为准确考察磁屏蔽的损耗,则需将其分离。

负载工况下,激励绕组产生的漏磁通大部分垂直进入磁屏蔽,故将靠近绕组的磁屏蔽表面看作磁场法向界面,以其作为空载镜像模型的对称面,左右两部分构建具有相同参数的带铁心的绕组,去掉磁屏蔽(即空载工况),绕组分别施加反向电流,形成反向磁场,磁通垂直于对称面。若空载和负载工况下的磁场分布一致,可测得空载损耗P0(为负载工况下铁心与激励绕组损耗之和的两倍),则

式中,Pn为负载损耗;Ps为屏蔽损耗。

由于长时间负载试验,激励绕组温度会比镜像绕组高,为了减少两侧温度的不对称以及排除两侧细微结构不对称对损耗测量结果的影响,也可单独记录空载状态时激励侧的总损耗P01,则

文献[2]的镜像测量装置中,镜像绕组和铁心是固定在以屏蔽表面为法向界面、与激励绕组和铁心对称的位置上。由于铁心的磁导率很高,导磁性能比空气好得多,在负载测量时,镜像绕组虽未加电,但有一部分漏磁通会进入镜像铁心,产生小部分磁滞损耗和涡流损耗,对磁场有一定影响。为了使镜像测量法可以更好地实现,本文提出了改进的装置,如图1所示。在原有装置基础上制作可移动的底座,即在负载工况下测量时,把镜像绕组和铁心移开,避免了进入镜像铁心的漏磁通对磁场的影响,使得磁场与空载工况分布一致,这样对于漏磁通的补偿起到了很好的效果。铁心的硅钢片叠积方向为z轴,轧制方向为y轴,漏磁通沿轧制方向垂直进入铁心的叠积表面(即xz面),由于叠片很薄,故在其表面产生的涡流损耗大大降低。用高斯计探头逐点测量靠近激励绕组侧屏蔽中心线附近的磁通密度[3]。

图1 改进的试验平台Fig.1Improved experimental platform

2.2 镜像模型二维建模与仿真分析

为了验证镜像测量法的磁通补偿效果,进行二维建模,考察空载和负载工况下磁场的一致性,观察磁力线分布情况与对称面的磁密分布结果。采用加拿大Infolytica公司的Magnet V7.2电磁仿真软件在二维时谐场进行计算,仿真模型如图2所示,负载和空载镜像模型的磁力线分布如图3所示。

图2 仿真模型Fig.2Simulation model

图3 磁力线分布Fig.3Magnetic curve

由图3可见,负载与镜像空载的磁力线分布基本一致。图4为对称面上磁通密度分布图,比较观察屏蔽中心线附近的磁密曲线,两种情况下的磁通密度分布也很接近,图4中y轴是屏蔽模型的中轴线位置,原点为图3模型的坐标原点。在y= 430mm左右负载磁密曲线出现一个上升点,是因为在屏蔽端部(y=430mm)处漏磁通分布集中,故端部磁密有少量增加,整体来看,二者曲线有较好的吻合,足以证明方法的正确性与可行性。

图4 对称面上磁通密度分布图Fig.4Distribution of magnetic flux density on symmetry plane

3 数值计算

针对磁屏蔽基准模型的三维数值分析采用电磁场分析软件MagNet3D进行计算。

3.1 电磁场方程

采用T-Ψ-Ψ位组方法,T为电流矢量位,Ψ为磁标位,在涡流区用T-Ψ表示,非涡流区(单连通域)用Ψ表示,控制方程如下所述。涡流区中有:

采用库仑规范,式(1)方括弧是为保证零散度条件而施加的罚函数项。非涡流区有:

3.2 杂散损耗的计算

硅钢片中的损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。其中涡流损耗包括经典涡流损耗和异常涡流损耗,采用斯坦麦茨公式计算:

式中,Pe为涡流损耗;σe为涡流损耗系数;f为频率; Bm为磁通密度的峰值。

针对硅钢叠片中磁滞损耗的求解,工程上提出了一种实际可行的方法[4,5],即磁滞损耗Wh被认为是磁通密度峰值Bm的函数,指定材料的Wh-Bm曲线可以测量。基于磁场的分析结果,磁滞损耗Wh为[6]:

4 立式和平板式磁屏蔽建模

由于立式和平板式磁屏蔽的硅钢片叠积方式有区别,磁密分布、涡流损耗和磁滞损耗都有所不同。本节采用镜像测量法考察两种磁屏蔽实际测量损耗值,并进行比对,运用三维建模仿真计算,分析两种磁密分布与损耗值的不同。

4.1 硅钢片材料的测量

磁屏蔽的硅钢片选用型号为30JG130,采用双搭接结构的爱泼斯坦方圈进行测量[7],频率为50Hz时,沿轧制方向(即与剪切方向成0°)与垂直轧制方向(即与剪切方向成90°)的30JG130硅钢片磁性能曲线如图5所示。

图5 磁化曲线和损耗曲线Fig.5Magnetization and loss curves

4.2 模型结构

在激励绕组上部分别放置两种磁屏蔽。平板式磁屏蔽兼有磁分路和通常电磁屏蔽中涡流反作用的功能,称之为MEM型磁屏蔽(MEM-type shield);立式磁屏蔽有磁分路功能,其涡流反作用可忽略不计,称之为M型磁屏蔽(M-type shield)。磁分路功能指,高导磁材料的磁导率远大于空气,漏磁通的绝大部分将沿着高导磁材料闭合,即被磁屏蔽“短路”,而进入被屏蔽体的磁通量极少,电磁作用相当于“导”磁。涡流反作用指,由电磁感应定律知,漏磁通变化产生感应电动势,在屏蔽表面引起涡流,产生的涡流对磁通的变化有阻碍的作用,电磁作用相当于“堵”磁[2,8,9]。

平板式磁屏蔽及立式磁屏蔽的尺寸均为200mm×860mm×10mm,其中平板式磁屏蔽的每片硅钢片尺寸为200mm×860mm,叠积厚度为10mm,如图6(a)所示;立式磁屏蔽采用860mm×10mm的硅钢片,叠积宽度为200mm,如图6(b)所示。激励绕组匝数为130匝。

图6 平板式和立式磁屏蔽Fig.6MEM-type and M-type shields

4.3 三维建模参数设定

平板式磁屏蔽叠积方向为x轴,片宽尺寸较大,叠片平面(yz平面)内的涡流不能忽略,为考察叠片内的涡流损耗,靠近绕组侧前七片和背离绕组侧后两片采用单片建模,每片总厚度3×10-4m,两侧含2%的漆膜,故实际建模时每片厚度2.94×10-4m,两侧各留3×10-6m的气隙,电导率设为各向异性,y与z方向的电导率设为2.22×106S/m,x方向的电导率设为0,按式(7)处理。

式中,Cp为叠片系数。

由于涡流损耗成指数衰减,中间整块磁屏蔽涡流反作用较小,设定电导率为0,磁导率设为各向异性。

立式磁屏蔽叠积方向为z轴,实体建模,电导率与磁导率的设定与平板式的中间整块模型相同[10]。

两种屏蔽的铁心叠积方式与立式屏蔽相同,为减少铁心涡流损耗,根据式(8)电阻率ρ越大,即铁心电导率σ越小,涡流损耗越小,故设定铁心电导率σ=0。

在对绕组建模时,考虑到铜线的涡流损耗会对磁屏蔽有一定影响,故用单根导线和整块建模进行比较,计算结果相差不到0.5%。表明涡流对屏蔽的反作用不明显,为了降低计算难度,将绕组进行整块建模,即均匀化等效处理[11],取有效截面为3.822 ×10-6m2,电导率σ为6.026×107S/m,可以大大简化计算量。

5 结果与分析

表1和表2分别是平板式磁屏蔽和立式磁屏蔽的计算与测量结果。对于平板式磁屏蔽,涡流反作用使涡流损耗由靠近绕组侧到背离绕组侧成衰减趋势;漏磁通垂直进入屏蔽时,涡流损耗集中在靠近铁心侧的前几片叠片内,在损耗中占有一定比例[12,13]。立式磁屏蔽由于叠积方式不同,漏磁通只在叠积面引起很少一部分涡流,其涡流损耗极少,磁滞损耗占总损耗比例较大,其屏蔽损耗计算结果指磁滞损耗。

表1 平板式磁屏蔽损耗计算与测量结果Tab.1MEM-type shield loss calculation and measurement results

表2 立式磁屏蔽损耗计算与测量结果Tab.2M-type shield loss calculation and measurement results

对于平板式磁屏蔽和立式磁屏蔽,在靠近绕组侧的磁屏蔽表面做了三组漏磁密测量实验,在激励电压有效值分别为100V、150V和200V时计算与测量漏磁通密度,图7为150V时两种磁屏蔽沿y轴方向的磁通密度的分布曲线,计算值和测量值能够较好地吻合,验证了镜像测量法的合理性。

图7 磁屏蔽的磁密分布曲线Fig.7Flux density distribution curve of magnetic shiled

图8和图9为激励电压有效值为150V时,两种磁屏蔽的磁密云图。在平板式磁屏蔽中,由于叠片的涡流反作用,绝大多数漏磁通不会透入整个屏蔽,而是集中在靠近铁心侧的前几片叠片内,屏蔽内部磁通逐渐减弱,而少量漏磁通会绕过屏蔽分布于背离铁心侧的几片叠片中,磁通密度很弱,由图8可看出磁密变化的趋势。立式磁屏蔽涡流很少,涡流反作用很弱,整块屏蔽的磁密分布相对于平板式磁屏蔽较为均匀。

图8 平板式磁屏蔽靠近绕组侧第1、3片和最后1片的磁密云图(150V)Fig.8Field distribution from the first,the third and the last sheet(150V)

6 结论

图9 立式磁屏蔽的磁密云图(150V)Fig.9Field distribution of M-type shield(150V)

(1)对激励绕组不同建模方法(细化至绕组中每一根导线和绕组的均匀化等效处理)得到的漏磁通的计算结果比较表明,两种建模方式所产生的漏磁通结果有良好的一致性,验证了绕组均匀化等效处理的可行性。

(2)基于两种磁屏蔽中屏蔽叠积方式的差异采用不同的建模方法,对两种模型的磁密、损耗分布进行三维有限元分析和比较,有助于改进大型电力变压器磁屏蔽的结构设计。

(3)对测量构件杂散损耗的测量方法进行改进,通过二维建模仿真计算得到磁力线分布和对称面上的磁密曲线,考察了实验的磁通补偿效果,即空载和负载漏磁通的一致性,提高了实验装置的测量精度。

(4)比较屏蔽实际测量和基于三维电磁场分析的损耗计算结果,表明两者具有较好的一致性,验证了屏蔽建模、计算和改进的测量法的有效性。

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Modeling,simulation and benchmarking validation of magnetic shields in large power transformers

LI Yong-gang1,LI Yue-ning2,CHENG Zhi-guang3,ZHAO Zhi-gang4
(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2.State Grid Hebei Xushui Electric Power Supply Company Limited,Baoding 072556,China;3.Tianwei Group Co.Ltd.,Baoding 071056,China; 4.School of Electrical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

In large power transformers,magnetic shields can be used to control the distribution of the leakage flux produced by the windings to avoid the hazardous local overheating causing the unpredictable damage of insulating parts due to excessive concentration of stray losses(including eddy current and hysteresis losses)generated in structural parts,and then effectively save energy and reduce the total power losses,reasonably improve the reliability of the operation.In this paper,the distributions of magnetic fluxes and losses caused in two kinds of shields are examined and compared in detail based on three-dimensional modeling and simulation of MEM-and M-type shields which are built by different stacked ways applied in large power transformers,and the experimental setup that measures the losses of the magnetic shields is further improved to provide a more reasonable condition of the leakage flux complementing for the application of stray-field loss measurement and to validate the effectiveness of all the modeling,simulation,which has significant analysis and reference value for optimizing the design of magnetic shields in large power transformers.

leakage flux;magnetic shields;flux density distribution;stray-field loss

TM153;TM401

A

1003-3076(2015)02-0061-06

2013-05-07

国家自然科学基金(51107026)、中国博士后科学基金(2013M530866)、河北省自然科学基金(E2013202130)、河北省高等学校科学技术研究基金(Q2012094)资助项目

李永刚(1967-),男,河北籍,教授,博士,研究方向为大型电机在线监测与故障诊断;李悦宁(1988-),女,河北籍,硕士研究生,研究方向为变压器电磁场分析及磁性材料模拟与应用。

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