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低压采用箔式绕组的变压器优化设计

2024-01-12 570 上传者：管理员

摘要：在配变及干变中低压常采用箔式绕组，本文通过具体的分析计算，在不增加材料成本的情况下，合理优化设计，有效地降低了箔式绕组的杂散损耗，有效地控制了绕组的局部热点，提高了变压器的安全运行及效率。

关键词：
干式变压器
杂散损耗
模拟仿真
涡流分布
箔式绕组
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箔式绕组与传统线绕式绕组相比具有便于加工绕制、生产效率高、结构紧凑、安匝平衡好、承受短路能力强、匝间电容沿绕组分布均匀、在冲击过电压下的稳定性强等诸多优点。因此，目前在配电及干式变压器中，箔式绕组被广泛地应用。

由于箔式绕组自身的结构特点以及在漏磁场的影响下，在箔式绕组中会产生极不均匀的涡流和涡流损耗，由此增加损耗降低能效的同时，还有可能造成局部过热，影响产品的安全运行。另外，随着产品容量的增大，箔式绕组引出铜排的电流也在增大，引出铜排若布置不当，在增加夹件等杂散损耗的同时还有可能出现局部过热的问题，因此有必要对箔式绕组引出铜排进行合理布置。

为了改善箔式绕组的涡流分布不均匀问题，有相关文献提出让低压箔式绕组在外，高压线绕在里的布置方法。从计算结果来看，换位后箔式绕组的涡流损耗分布有所改善，但由于高压绕组的绝缘要求，会显著增加成本，目前基本没有将箔式绕组放在高压外面的结构。

对箔式绕组漏磁场，涡流和涡流损耗的分布特性进行数值仿真计算，通过改变产品结构，有效地改善箔式绕组中的涡流损耗分布不均匀的问题，具有重要的意义。

1、计算方法及模型建立

根据箔式变压器的结构特点，可采用有限元法按二维轴对称场计算，在此需做如下假设条件：（1）根据箔式变压器绕组漏磁场和负载损耗等计算要求和三相结构对称性，按单相轴对称模型计算；（2）除模型左侧为铁心中心线外，其余边界取足够远，上下左右边界均施加一类齐次边界条件，并按非线性轴对称时谐场计算；（3）低压绕组沿径向每层作为一个安匝区，高压按实际安匝分区；（4）忽略铁心和高压绕组导体的涡流对磁场的影响，铁心按非线性材料处理。

根据上述计算条件，利用矢量磁位A计算箔式绕组漏磁场时的边值问题为：

AZ=0

式中，μ———磁导率，H/m

σ———电导率，S/m

JS———绕组电流密度，A/m2

磁场仿真采用有限元法，基于计算精度、复杂度和效率，绕组涡流损耗采用MagNet软件2D时谐场计算。计算模型包含铁心、高低压绕组，模型大小均按实际产品尺寸。模型中铁心材料为硅钢片，腹板材料为导磁钢，绕组材料为铜。计算边界以模型的5倍大小的空气包作为计算的边界条件。

在网格的设置中，高压绕组及铁心网格尺寸不大于30mm，对于特别关注的低压箔网格尺寸不大于10mm。激励源采用在高压侧施加50Hz额定电流作为激励，低压绕组首尾短接，具体电路连接见图1。

图1 高、低压绕组电路连接图

具体计算模型如图2所示。图2中，计算模型由内向外依次为：铁心-低压绕组-高压绕组。低压绕组每层为1匝，共14层（即14匝），高压绕组在最外侧，共12段1300匝。

图2 计算模型

对于普通扁线或圆线组成的绕组导体通常忽略涡流的去磁作用，但对于箔式绕组导体，由于其具有面积大、厚度薄、导电率高的特点，因此，在漏磁场中箔式绕组的涡流效应不容忽视。

利用有限元公式，可以得到箔式绕组导体的涡流密度和总的电流密度。

涡流密度的计算公式为：

Je=-jωσA

总电流密度J的计算公式为：

J=JS-jωσA

根据上述公式，可以获得箔式绕组导体考虑涡流影响后的电流密度分布。图3为箔式绕组的电流分布，电流密度最大值出现在绕组的端部，而且沿高度方向极不均匀。这是由于横向漏磁的影响，越靠近铁心，箔式绕组的电流密度越大；电流密度沿绕组高度极不均匀，在绕组上易出现涡流损耗的急剧增加而导致端部局部过热的发生。

图3 箔式绕组的电流分布

2、变压器设计方案及计算结果

以一台产品型号为SCB11-2200/35进行具体的分析计算，产品的基本参数见表1。该产品绕组结构为低压箔绕、高压线绕，其中低压采用铜箔，共14匝并用轴向气道分为2层，高压采用普通扁导线，在轴向上分为12段。

2.1 产品方案

常规方案：高、低压绕组轴向高度相同，低压采用0.9×840的铜箔。

优化方案：高压绕组与常规方案一致，低压绕组保持径向尺寸不变，在保证低压截面不变的情况下将低压铜箔改用0.84×900的铜箔，结构上首末端均高出高压首末端30mm。

表1 产品基本参数

2.2 计算结果

采用有限元方法和本文中确定的计算模型，分别对两种方案进行计算，结果表明两种方案直流电阻损耗一致。

计算的在120℃（绝缘等级F级）下每层箔所产生的涡流损耗占每层箔的电阻损耗的比值对比如表2所示。

表2 两种方案的对比

从表2可看出，优化的方案对比常规方案，绕组的涡流损耗每层均有大幅的降低；经计算常规方案低压绕组总的涡流损耗占总的低压绕组电阻约12.36%，优化后的方案低压绕组总的涡流损耗占总的低压绕组电阻约6.67%。

箔式绕组损耗密度分布如图4和图5所示。在图4和图5中的绕组损耗密度分布图可看出，常规方案的低压绕组的最大涡流损耗密度为1218kW/m3，优化后的方案低压绕组的最大涡流损耗密度为906kW/m3，优化后的方案对比原方案最大损耗密度降低了25%；经计算最热点的温升，优化后的方案较常规方案温升下降约10K。

图4 常规方案低压绕组损耗分布

图5 优化方案低压绕组损耗分布图

3、引线结构的改进

通常箔式绕组引出铜排分首末端两侧出线，在引出铜排电流较大时，容易对夹件等结构件产生高漏磁，以至于产生较大的杂散损耗并有可能产生局部过热。利用同侧引线漏磁场的叠加相消原理，将有效降低进入夹件等结构件的漏磁通量。

对比图6与图7，同侧引出时，在结构件上的漏磁密度比在首末段引出时的漏磁密度小得多。因此，同侧引出排的结构相对比两侧引出排的结构，由引线带来的结构件的杂散损耗小得多。

图6 两侧引出排时漏磁分布图

图7 同侧引出排时漏磁分布图

4、结论

通过对箔式绕组漏磁及涡流损耗的具体分析计算，在不增加成本的基础上，适当把低压箔绕的绕组高度高于高压绕组，同时引线采用同侧出线的方式，有效地降低了低压采用箔绕式绕组的杂散损耗，提高变压器能效的同时，防止局部过热的产生，有利于产品的安全运行。

参考文献:

[1]崔立君.特种变压器理论与计算[M].上海:科学技术文献出版社,1996.

[2]王建民,王宇翔,韩冬杰,等.箔式变压器绕组漏磁场及其特性参数的数值分析[J].变压器,2010,47(10):1-4,73.