基于场路耦合模型的变压器电磁性能的仿真分析

摘要

由于全球电力工业不断增长的需求，电力变压器作为电力系统中不可或缺的电气设备，其生产制造业也迅猛发展。随着社会对供电质量的要求，对节能降损、环境保护重视程度的不断提高，电力用户对变压器类产品的性能也提出更加严格的要求。而针对变压器本体的设计，设计工作者大多采取经验公式等传统手段，这导致对变压器内部性能参数的预测并不准确，从而影响其后期优化效果，而变压器各类性能参数的预测分析又离不开对变压器内部电磁性能的计算，其中包括对变压器安全运行影响较大的热校核。因此，为了解电力系统不同的运行工况对变压器内部性能的影响，本文旨在针对不同运行工况下的变压器内部电磁性能以及热计算进行研究。 变压器热计算的两大要素分别是内部散热环境分析和内部损耗计算，损耗作为变压器内部热源，是热量产生的主要来源和先决条件。要准确预测变压器内部损耗离不开变压器内部电磁性能的计算分析。 因此，本文以一台50MVA/110kV油浸自冷变压器为例，重点分析变压器不同运行工况下的电磁表现规律。首先，在相应的基本假设和简化的基础上，建立变压器物理模型，基于有限元法，采用场路耦合的方式，通过对不同工况下变压器内部电磁性能的仿真计算，分析高低压绕组电流和感应电压的变化情况，研究变压器铁芯和绕组内磁感应强度的分布规律。将变压器三相铁芯分开建模，分别求解不同工况下变压器三相铁芯损耗和变压器高低压绕组损耗，分析变压器不同的运行工况对变压器内部损耗的影响。其次，将变压器内部损耗的计算结果作为热源，基于流体力学与传热学相关理论，采用有限体积法，加载磁场计算所用的变压器物理模型，在相关假设的基础上对变压器温度场进行计算，探究不同工况下变压器内部温度场分布规律。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电磁场及电磁计算方法研究现状

1.2.2 变压器电磁性能研究现状

1.2.3 工程电磁热场模拟

1.3 本文主要研究内容

第2章 基于有限元法三维瞬态场路耦合数学模型

2.1 电磁场基本理论

2.2 三维涡流场控制方程

2.3 伽辽金有限元法求解控制方程

2.4 场路耦合电路方程

2.5 基于 T-T0-Ω法的三维瞬态涡流场场路耦合数学模型

2.6 本章小结

第3章 变压器结构参数及求解模型

3.1 计算域物理模型的确定

3.2 场路耦合模型中电路模型的确定

3.3 本章小结

第4章 变压器电磁计算分析

4.1 变压器绕组电压电流分析

4.1.1 额定工况下绕组电压电流计算分析

4.1.2 过载情况下绕组电压电流计算分析

4.1.3 负载侧单相接地故障下绕组电压电流计算分析

4.2 不同工况下变压器内部磁场分布情况

4.2.1 变压器铁芯磁场分布情况分析

4.2.2 变压器绕组磁场分布情况分析

4.3 本章小结

第5章 变压器损耗分析与温度计算

5.1 基于限体积法温度场控制方程

5.1.1 传热方式及其数学描述

5.1.2 有限体积法数学描述

5.2 变压器损耗分析

5.2.1 变压器铁芯损耗

5.2.2 变压器绕组损耗

5.3 变压器温度场计算

5.3.1 热源密度计算

5.3.2 数学模型的确定

5.3.3 基本假设及物理模型

5.3.4 不同工况下变压器温度场计算分析

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢