干式变压器电磁-热耦合模拟特性与实验研究

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电力变压器的设计、制造和运行中存在电磁场、热场和流体场等多物理场耦合问题,电磁场数值模拟技术是解决工程电磁热耦合场问题的基础,而多场耦合问题的数学描述和数值计算方法比较复杂,在求解过程中不仅需要考虑材料的非线性和各向异性,还需考虑温度和应力对材料特性的影响。此外,大型电力变压器严格意义上的几何物理对称性几乎不存在,几何实体(数米级)与薄壁单元(绝缘纸厚度不大于0.3 mm)共存,为三维热场模型建立与网格剖分带来一定困难。大容量变压器产生的漏磁通在金属结构件中形成杂散损耗,杂散损耗的研究对于节能降耗、避免可能存在的局部过热和变压器实际产品设计具有重要意义。本文以一台2500 kVA环氧树脂浇注型干式变压器为研究对象,以工程电磁学与传热学为基础,基于磁-热耦合方法开展变压器损耗计算和温升预测。具体内容如下:(1)以电磁场数值理论方法为基础,运用有限元分析软件Ansoft Maxwell建立干式变压器二维和三维磁场计算模型,并对变压器绕组产生的空间漏磁场分布特点及影响进行了系统的仿真计算与分析。(2)开展30P120取向硅钢片的二维磁特性测试,考虑硅钢片的深度非线性和各向异性,基于Bertotti损耗分离模型完成铁耗计算,对比分析了工艺孔对叠片铁心损耗的影响。采用位组计算的A-φ-A三维涡流分析方法,通过三维负载涡流场电磁仿真得到箔式绕组和金属结构件上的不均匀涡流分布,完成杂散损耗的计算。(3)构建干式变压器电磁-热-流体多物理场耦合问题模型,将电磁损耗计算结果按照网格节点耦合至温度场,考虑温度对材料损耗特性的影响,精确模拟了变压器对流换热过程并实现了变压器温升计算和热点预测。同时分析了高低压绕组主空道增设绝缘挡板前后对绕组温升变化的影响。(4)开展变压器空载和稳态短路温升实验,结果表明模型预测值与实验值误差控制在±6%,温升分布规律与实际吻合较好。本文采用的多物理场耦合分析方法在变压器产品研发初期可提供损耗预测方法和计算数据,对变压器实际产品设计、制造具有重要意义。
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