大电流引线周围结构件中涡流损耗和温升的计算分析

大电流引线周围结构件中涡流损耗和温升的计算分析

崔箫1，2，赵旭阳3，张冰4

（1.沈阳工程学院，沈阳；2.沈阳工业大学，沈阳；3.沈阳安世亚太科技有限公司，沈阳；4.华晨宝马汽车有限公司，沈阳）

摘要：本文应用商用软件AnsysWorkbench中的maxwell3D和Steady-StateThermal模块，建立了大容量发电机变压器引线周围结构件三维模型，分别针对不同材料及不同屏蔽结构方式进行了磁场和温度场的模拟计算，最后给出了不同方案低压引线允许的最大电流值，为以后合理设计大电流引线周围结构件提供理论依据。

关键词：变压器大电流引线结构件涡流损耗温升

1.前言

目前我国电力变压器制造业正向大容量方向发展，电力变压器大电流引线周围磁场及相应的损耗分析问题是电力变压器设计的重要问题之一。

现我厂生产的发电机变压器的单项容量已达到了70万千伏安，低压引线电流达到了13000安培。该类型大容量电力变压器的主要问题之一是大电流引线的漏磁引起周围结构件局部过热，使变压器热性能变坏，最终导致绝缘材料的热老化与击穿等严重问题，严重影响到变压器运行的可靠性和寿命。这一系列问题的解决，是变压器可靠设计的前提。所以要合理的选择引线周围结构件的材料及屏蔽方式，这样可以消除局部过热，又可以极大的降低结构件损耗。

本文基于AnsysWorkbench软件，建立了能够较详细描述变压器大电流引线周围结构件的计算模型，包括油箱盖，箱盖电屏蔽，低压出线等细致结构；分析计算了不同材料、不同屏蔽时结构件的涡流密度分布和损耗值，给出了相关计算结果，得出了对于产品设计具有参考价值的结论。

2.引线周围部件结构模型与边界条件

本文以一台DFP-260000/420TH、低压引线电流为13000A的单相三柱变压器为例，计算了引线周围结构件的涡流场、温度场。本文应用AnsysWorkbench中的maxwell3D模块，进行三维正弦稳态磁场与涡流场的有限元计算。在计算中假设如下：

1)忽略线圈漏磁场对引线周围磁场的影响；

2)忽略位移电流的影响；

3)所有的场量都随时间按正弦变化；

4)材料是线性均匀的，即磁导率μ、电导率σ皆为分区常数。

变压器中的结构件大多呈薄壁形，其表面尺寸远远地大于其厚度，为了得到精确的计算结果，就要求采用细密的有限元网格，如果选取整个油箱作为求解域，则将使得计算规模过于巨大，从而无法完成计算，因此只截取引线周围部分油箱壁进行计算。下图1为变压器低压引线周围结构件的示意图。

计算区域和边界条件按下述方式确定：

1)截取两倍于平均高度的油箱部分，将其包含在求解域中，用平行于箱盖的平面将油箱的其余部分截断，该平面即为求解域的下边界，在其上给出Bn=0的边界条件，Bn表示磁通密度的法向分量。

2)在引线上方用平行于油箱盖的平面将引线截断，该平面即为求解域的上边界，在其上同样给出Bn=0的边界条件。

3)对于其余侧面，将求解域延伸到实体结构的数倍，按照无限远边界处理，设其上的电磁场物理量已衰减到零。

3.磁场、温度场数值计算结果

对比了同材料以及不同屏蔽结构，进行了仿真模拟分析，计算结果如下所示，对2为普通钢箱盖漏磁场分布图

4.四种方案计算结果对比分析

本文采用有限元分析软件AnsysWorkbench分别对四种方案进行了三维磁场分析，引线周围结构件的最大磁通密度、最大涡流密度和涡流损耗、热点温升如表1所示。

从表1中各结构件的数据可以看出，普通钢最大涡流密度为16028000(A/m2)，最大损耗为21.15kW，是损耗最小方案的16.4倍。出现此种原因主要是因为普通钢的导磁率是低磁钢的几百倍，电导率也达到了六倍。因此相同电流作用下普通钢材料的磁通密度、涡流密度最大。

而设置电屏蔽的目的有2个，箱盖内部的电屏蔽是利用铜具有高导电性能，与低磁钢钢材料形成了并联电路，使其在交变电流作用下产生的涡流大部分通过铜屏蔽流通，减小低磁钢箱盖的涡流损耗及热点温升；而铺设在箱盖外面的铜屏蔽是利用铜具有高热传导性能，可以使热点降低及分布均匀。

5.结论

本文采用有限元分析软件AnsysWorkbench中的maxwell3D分别对四种方案进行了三维磁场分析，得到了大电流引线周围结构件磁场分布、涡流密度分布、涡流损耗及热点温升值，并给出了每种方案低压引线允许的最大电流值。

从四种方案分析结果可以看出，大电流引线周围结构件的材料选取以及是否采用屏蔽结构是变压器设计的一个重要问题，从计算结果可以看出，定量计算的结果可以映证定性的理论分析，说明了计算方法的实用性。上述计算有利于细致了解大电流引线周围结构件磁场的分布情况，使设计人员获得更准确的设计依据。