基于有限元方法的谐波对变压器损耗特性分析仿真

发布时间：2019-07-23 06:12

【摘要】：介绍了配电变压器电磁特性,分析了负载率、空载损耗、负载损耗对变压器效率的变化趋势。利用有限元方法和MATLAB联合建模仿真,分析实际电网工况中的谐波畸变率和不同负载类型对变压器损耗的影响。
【图文】：

效率空化趋势图

第11期刘旭光、赵仰东、刘斌等：基于有限元方法的谐波对变压器损耗特性分析仿真图1效率变化趋势图∞PFe=P1(1+∑Cfn1.3Bmn2GCf11.3Bm12G)n=2∞=P1(1+∑n1.3HRIn2)（1）n=2式中,PFe为空载损耗；P1为基波空载损耗；C为空载损耗系数；f为电网频率；G为铁心质量；n为谐波次数；Bmn为第n次谐波磁通密度最大值；HRIn为第n次谐波含有率。由式（1）可知谐波电压含量越大，其铁损越大；谐波次数越大，其变压器磁滞损耗越校为直观分析比较不同电压谐波畸变率对铁磁材料的影响，后面章节将对上述进行仿真验证。2.2集肤效应特性当变压器处于满载状态或重载时，若其输入变压器绕组的谐波电流畸变率较大，变压器的安全可靠性将降低。通常情况下，变压器低压侧接入非线性负载，绕组将发生集肤效应。当交流电流流过绕组时形成涡流，绕组内部分布不均匀，最终聚集到表面，随着频率增加，集肤效应越明显。导体每个单位长度的电阻和电感计算公式如式（2）所示：R=12πrσδL=12ωπrσδ（2）δ=2ωμσ姨式中，R为导体单位长度电阻；L为单位长度电感；r为导体半径；σ为电导率；δ为集肤深度；ω为角频率；μ为磁导率。由式（2）可知，当输入的电流频率越大，其阻抗值越大，谐波电流畸变率较大时，电流密度分布不均匀，减小导体有效截面积，导体电阻值增大。以工频电流时的电阻和电感为基准，其不同频率谐波的电阻值为n姨倍，电抗近似为基波值。当谐波存在时，考虑集肤效应对于变压器损耗计算更加准确。2.3变压器效率解析谐波加剧变压器损耗，从而影响无功经济容量的选取，选择变压器容量时将谐波因素考虑其中十分必要。通常计算?

不同谐波畸变率电压、电流图

第54卷图5负载损耗曲线图实线和虚线分别为变压器低压侧电压、电流谐波，随着变压器激励源畸变率变大，其电网失真度越大。3.1空载损耗笔者为更加直观验证分析谐波畸变率对铁心材料的磁滞回线变化，利用RC积分原理进行变压器的磁滞曲线仿真，其结果如图3所示。由于磁性材料对外加磁场作用的磁滞现象，磁性材料在磁场中反复正、反向磁化时发热，产生的热量由外加磁场造成，其反复磁化过程中能量的损耗就是磁滞曲线包围面积，由图3可知随着电压畸变率增大，其曲线面积增大，且易出现饱和现象，该结果也验证了谐波增大对空载损耗增大的理论。依据协同仿真可得其空载损耗曲线，如图4所示。由图4可知，电压谐波为0.01%时，其空载损耗为146.91W，与设计值相比其误差较校当电压畸变率增大时，虽然损耗曲线的最大值略降低，但是其空载损耗曲线平均值增大，这是由于铁磁材料本身特性引起的；当畸变率增大到一定数值时，其空载损耗超过设计标准值。3.2负载损耗负载损耗约占变压器损耗70%~80%，通常计算负载损耗时，采用理想电流源进行计算，但其计算公式常采用一些经验参数进行计算，故与实际损耗存在些许误差，为分析谐波源对负载损耗的影响，，本文中笔者应用MATLAB和有限元分析软件进行联合仿真，其不同电流畸变率的损耗曲线如图5所示。图2不同谐波畸变率电压、电流图图3不同谐波畸变率情况下磁滞曲线图4空载损耗曲线图42
【作者单位】：南瑞集团公司(国网电力科学研究院);上海置信电气股份有限公司;南昌航空大学;
【分类号】：TM41

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