大型变压器屏蔽中三维涡流场及杂散损耗的研究

摘要

对大型变压器屏蔽进行合理的优化设计，无论对于变压器的安全、可靠运行，还是对于降低整个系统的杂散损耗，都起着至关重要的作用。目前，大部分变压器屏蔽构件的设计都源于工程师多年的经验，并没有进行定量、准确地分析，这对于新产品的开发会带来很大的风险和挑战。本文选择了“大型变压器屏蔽中三维涡流场及杂散损耗的研究”这一非常具有工程背景和价值的课题进行研究，以期待得到一些具有工程意义的关于变压器屏蔽的结果和结论。另外，从工程的有效性出发，研究一些关于迭片材料模拟、涡流损耗和磁滞损耗等杂散损耗的实用、准确的数值分析方法，从而对大型变压器屏蔽的优化设计起到重要的理论指导意义。 为了强调所研究的关键问题，设计并研制了两组面向工程的屏蔽基准模型，并且被国际TEAM 组织批准加入第21 问题基准族。开发了基于Ar—V— Ar位组的三维涡流场有限元分析软件，用以对屏蔽基准模型的电磁行为和杂散损耗进行准确、定量地分析。 对屏蔽模型杂散损耗的分析中，主要考虑了涡流损耗和磁滞损耗两种成分。对于单元涡流损耗的计算，采用了一种将宏观上计算导体涡流引起的功率损耗的方法。将所有单元涡流损耗进行累加就得到构件总的涡流损耗；对磁滞损耗的计算采用了一种基于Wh -Bm曲线的间接的有效计算方法，即事先测量得到Wh -Bm曲线上的离散数据，取得单元平均磁通密度的幅值后，利用线性插值的方法得到单元的磁滞损耗，对单元作累加，得到构件的总的磁滞损耗。计算迭片构件时，充分考虑了其电导率和磁导率的各向异性和迭片特性；通过引入各向异性的等效磁导率和分层的等效电导率模型对迭片材料进行了有效的材料模拟。通过对屏蔽基准模型构件杂散损耗结果的分析，得到了一些具有工程意义的结论。 对屏蔽基准模型进行了进一步的扩展研究，通过改变屏蔽模型的一些相关因素，如屏蔽材料、屏蔽件厚度或激励电流等，分析对杂散损耗产生的影响。另外，通过引入欠松弛因子α(0<α<1)，解决了适当加大激励电流，屏蔽基准模型进入准饱和状态后杂散损耗的发散问题。 本文对材料特性参数、涡流密度和磁通密度以及杂散损耗的测量和分离技术进行了讨论。采用辅助线圈法对屏蔽基准模型总的杂散损耗进行了测量，结果表明，构件指定位置的磁通密度和总的杂散损耗的计算值与测量值得到了很好的吻合，从而验证了数值分析方法的正确性。