油浸式三相电力变压器电磁场及温度场的瞬态仿真分析

发布时间：2017-08-12 01:00

  本文关键词：油浸式三相电力变压器电磁场及温度场的瞬态仿真分析

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【摘要】：本文研究模拟S7-10kV级以下，额定容量为630kVA的三相油浸式电力变压器在瞬态启动过程中铁芯与绕组在各相峰值时刻电磁场的分布状态以及其所产生的损耗作为内热源，来模拟铁芯与绕组温度场的分布情况。目前国内外学者只针对变压器电磁场和温度场来单独进行研究，或是只给定绕组电流密度来模拟变压器的温升情况。本文通过对模拟电力变压器正常运行过程中产生的损耗来转化为变压器的内热源，从而分析其温度场的分布情况，这样可以更准确的与实验结果相校核，从而探索出影响变压器温升值的根本因素。 本文通过ANSYS Workbench14.0有限元分析软件中的ANSOFT Maxwelll和Transient Thermal模块来分别模拟变压器铁芯与绕组在各相峰值时刻的电磁场分布情况与温度场分布情况。首先对变压器分别进行空载、负载系数为0.5、负载系数为1三种不同负载运行工况下的电磁场模拟，分析其瞬态启动过程中产生的感生电压、负载电流波形的变化，并研究铁芯与绕组在各相峰值时刻的磁感应分布（B）特性、磁场分布（H）特性、电流密度分布（J）特性等。然后将结果集成到Transient Thermal模块来计算铁芯与绕组的损耗，并模拟其温度场从瞬态到稳态过程的分布情况，以及铁芯与绕组最大温差值的变化特性。 通过分别对变压器在空载、负载系数为0.5、负载系数为1工况下进行电磁场模拟，结果表明三相中一次侧电压与对应二次侧感生电压值之比为25：1；在空载工况和负载系数为1工况下的两次模拟结果显示，空载电流远远小于初级额定电流的5%～8%；空载工况下会产生励磁涌流现象其最高电流可达到稳态电流的6～8倍，而大容量变压器可达到几十倍以上。通过以上结论可知模拟的结果符合实际情况，满足变压器仿真要求。 模拟分析铁芯和绕组在各相峰值时刻的电磁场分布情况，中间B相的磁场强度相较于A、C两相变化范围小，绕组的磁场矢量变化形式整体呈锥形分布，，最大磁场强度出现在铁芯横向与纵向交汇处；随着负载系数的增大，绕组的磁场强度随之成倍数增加；三种工况下铁芯各相的磁感应分布均匀，随着负载系数的变化，铁芯表面的磁感应均值和最大值变化不大，负载系数对铁芯表面磁感应强度没有影响。 铁芯损耗与负载系数的大小无关，但随着变压器负载系数的增大，铁芯温度随之升高。其原因是由于负载系数增大后绕组的温度急剧上升，产生的热量通过变压器油快速传递到铁芯，从而使其温度随时间呈非线性上升；次级绕组总体温度大于初级绕组，这是由于次级绕组损耗密度大于初级，因此次级绕组发热量将大于初级绕组。另一部分原因是由于次级绕组在初级绕组内侧，与其接触的变压器油流通性较差，次级绕组的散热效果不如初级绕组；随绕组负载系数的增大，整体绕组表面温度升高，稳态下其最大最小温差值将随之增大。 通过以上分析可知变压器产热的根本原因在于铁芯与绕组的损耗，可以通过减小电流密度来控制损耗程度从而降低内部最大温度；另一方面可以提高变压器冷却效率来降低其最大温度。本文的研究为变压器设计人员提供了可靠的参考依据，同时为进一步改善变压器散热冷却措施奠定了基础。
【关键词】：变压器 电磁场 损耗 极值温度
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM411.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 绪论13-19
• 1.1 引言13-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 国外研究现状14-15
• 1.2.2 国内研究现状15-17
• 1.3 本文主要研究内容17-19
• 第2章 油浸式电力变压器工作损耗及发热散热原理19-29
• 2.1 油浸式电力变压器发热分析19-21
• 2.1.1 变压器内部热源19-20
• 2.1.2 变压器散热冷却过程20-21
• 2.2 油浸式电力变压器运行损耗21-24
• 2.2.1 空载损耗21-22
• 2.2.2 负载损耗22-24
• 2.3 油浸式电力变压器内部换热分析24-26
• 2.3.1 热传导24-25
• 2.3.2 对流换热25-26
• 2.3.3 辐射换热26
• 2.4 油浸式电力变压器允许温度限值26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 电磁场及热场数值仿真理论基础29-39
• 3.1 有限元法29
• 3.2 电磁场数值仿真理论基础29-31
• 3.2.1 麦克斯韦方程组29-30
• 3.2.2 电磁场边界条件30-31
• 3.3 电磁场及热场数值仿真理论基础31-34
• 3.3.1 连续性方程31-32
• 3.3.2 动量方程32-34
• 3.3.3 能量方程34
• 3.4 ANSYS Workbench 软件分析概述34-36
• 3.4.1 Workbench 14.0 软件概述34-35
• 3.4.2 Ansoft Maxwell 电磁场分析软件概述35-36
• 3.4.3 Thermal Transient 热模拟分析软件概述36
• 3.5 本章小结36-39
• 第4章 变压器电磁仿真计算分析39-73
• 4.1 模型建立及参数条件39-44
• 4.1.1 物理模型建立39-41
• 4.1.2 网格划分41-42
• 4.1.3 模型材料及激励条件设定42-44
• 4.2 不同负载系数下电压与电流分析44-53
• 4.2.1 不同负载系数下的三相感生电压44-47
• 4.2.2 不同负载系数下的三相负载电流47-51
• 4.2.3 励磁涌流现象分析51-53
• 4.3 不同负载系数下电磁场分布状况53-71
• 4.3.1 各相峰值时刻磁场强度分布（H）53-61
• 4.3.2 各相峰值时刻磁感应分布（B）61-65
• 4.3.3 各相峰值时刻绕组电流密度分布（J）65-71
• 4.4 本章小结71-73
• 第5章 变压器温度场仿真计算分析73-87
• 5.1 模型建立及边界条件73-75
• 5.1.1 物理模型及网格划分73-74
• 5.1.2 物性参数及边界条件设置74-75
• 5.2 不同负载工况下铁芯及绕组损耗分析75-77
• 5.2.1 铁芯损耗分析75-76
• 5.2.2 绕组损耗分析76-77
• 5.3. 不同负载系数下温度场分布77-85
• 5.3.1 铁芯温度场分布78-80
• 5.3.2 绕组温度场分布80-85
• 5.4 本章小结85-87
• 第6章 结论与展望87-91
• 6.1 结论87-89
• 6.2 工作展望89-91
• 参考文献91-95
• 作者简介及科研成果95-97
• 致谢97

【参考文献】

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本文编号：659006