- 頭條變壓器損耗計算和熱點預測的新思路，克服傳統方法計算不準確問題2021-11-12 作者：李永建 閆鑫笑 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）、電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室（河北工業大學）、天津市特變電工變壓器有限公司的研究人員李永建、閆鑫笑、張長庚、陳怡帆、盈文亮，在2020年第21期《電工技術學報》上撰文，基于有限元法對一臺2500kV?A干式變壓器進行額定負載條件下的三維瞬態電磁場模擬仿真，計算中考慮了漏磁場對箔式繞組和結構件渦流分布的影響。將電磁損耗計算結果按照網格逐單元耦合至溫度場，并以此為熱源建立磁-熱-流多物理場映射關系，考慮溫度對材料損耗特性的影響，精確模擬變壓器對流換熱過程并實現變壓器結構件溫升計算和繞組熱點預測。開展變壓器溫升試驗，結果表明模型預測值與試驗值誤差控制在±6%，溫升分布規律與實際吻合得較好。
該文采用的多物理場雙向耦合分析方法克服了傳統磁路法損耗計算不準確的問題，在變壓器產品研發初期可提供損耗預測方法和計算數據，顯著提高相關電工裝備的運行效率。
干式變壓器體積小、質量輕，具有抗短路能力和良好的電氣性能，在工程中得到了廣泛應用。干式變壓器繞組一般由環氧樹脂整體澆注而成，導熱性能比較差，繞組內部的產熱和散熱情況不均衡，加之負載過大、運行時間長等因素，致使熱點問題突出。變壓器溫升過高不僅會加速絕緣老化，誘發繞組匝間短路造成電擊穿等事故，長期過熱運行還會造成結構件燒損或者機械變形損傷。
精準預估大功率變壓器在漏磁影響下的繞組和結構件損耗，模擬運行工況下的變壓器溫升特性，對于提升變壓器磁熱設計并降低局部過熱危害具有重要的意義。由于箔式繞組具有特殊的薄片結構，在漏磁場影響下，繞組表面電流密度分布極不均勻，端部具有明顯的趨膚效應，損耗的總量增加和不均勻分布一直是工程難點問題。
隨著三維有限元分析方法（Finite Element Method, FEM）的引入與計算機數值計算的快速發展，基于A-V-A和T-ψ等渦流場有限元法逐步在工程上得到采用，以解決導體區域的非線性和電導率各向異性的渦流損耗計算問題。
對于變壓器的溫度場計算，工程上一般采用GB/T 1094.7—2008和IEEE Standard C57.91—2011標準中的經驗公式，根據變壓器容量和散熱方式給定不同的溫度系數來計算變壓器瞬態熱點溫升，操作快速簡單但是計算精度較低，且未考慮變壓器結構對溫度分布的影響。
基于熱點類比理論的熱路模型更加符合變壓器實際的傳熱過程，通過計算熱容、熱阻等參數，將變壓器結構等效為熱路計算模型，適用于熱點溫度的精確計算，但是參數的選取基于大量的實驗結果，建模過程復雜，工作量大。
針對變壓器內部的熱點分布，國內外學者系統地研究了數值模擬算法。為了提高有限元法在求解溫度場流-固耦合問題的效率，在求解流體問題時多采用有限體積法，該方法也是目前變壓器溫升分布和計算的研究熱點。
河北工業大學等單位的研究人員建立了考慮變壓器繞組層間氣道結構的三維電磁場和溫度場計算模型，基于三維瞬態場有限元仿真得到了漏磁通影響下繞組和結構件上的非均勻損耗分布。建立了磁-熱-流耦合模型，將磁場節點損耗密度映射至三維流體場中，考慮磁性材料的溫度效應，對變壓器進行溫度場仿真計算，同時通過熱電偶多路溫度測試儀對變壓器進行溫升測試實驗，驗證仿真模型的合理性與準確性。
圖1 變壓器溫升測試平臺
研究人員得到以下結論：
1）考慮大容量干式變壓器漏磁場影響下的繞組和結構件渦流效應更加符合變壓器實際運行狀態下的損耗計算和熱源分布。
2）變壓器低壓箔式繞組高溫區域位于最外層中上端，最高溫度達121℃，高壓餅式繞組最熱點區域位于外層第一個繞包線中間兩列，最熱溫度可高達150℃，與表面存在5℃左右的溫度差。
3）變壓器上、下結構件和拉板在漏磁場影響下，表面產生渦流效應，同時在繞組高溫輻射下，產生局部過熱，最高溫升相比于環境溫度高達42K。
4）考慮材料溫度效應的多物理場耦合方法，克服了傳統磁路法損耗計算不準確的問題，能夠更好地研究變壓器內部熱點分布。
以上研究成果發表在2020年第21期《電工技術學報》，論文標題為“基于磁-熱-流耦合模型的變壓器損耗計算和熱點預測”，作者為李永建、閆鑫笑 等。
