干式鐵芯并聯(lián)電抗器夾件部分磁場(chǎng)和損耗計(jì)算

      摘 要：應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)干式鐵芯并聯(lián)電抗器夾件部分三維電磁場(chǎng)和損耗進(jìn)行了計(jì)算，給出了渦流及其損耗的分布。

      關(guān)鍵詞：干式鐵心并聯(lián)電抗器；夾件；ANSYS；漏磁場(chǎng)；渦流損耗

      一、引 言
　　并聯(lián)電抗器主要用來(lái)吸收長(zhǎng)距離輸電線路的對(duì)地容性無(wú)功功率[1]，他能有效提高輸電線路的傳輸能力，改善電能質(zhì)量，抑制過(guò)電壓的產(chǎn)生[2]，在目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。并聯(lián)電抗器分為空心、鐵心等多種結(jié)構(gòu)型式[3]。在干式鐵心類電抗器產(chǎn)品中，繞組電流產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)將在鐵軛金屬夾件中產(chǎn)生附加損耗。并且由于它在金屬夾件上的分布不均勻，這些集中在小面積上的損耗往往會(huì)引起夾件中的局部過(guò)熱。
　　　
　　因此，雜散損耗已成為對(duì)鐵心電抗器類產(chǎn)品性能考核的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。為了降低雜散損耗，需要對(duì)電抗器繞組、夾件內(nèi)的漏磁通分布、渦流分布和夾件雜散損耗等進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算[5]。因此，研究可靠準(zhǔn)確的磁場(chǎng)、損耗的計(jì)算方法，進(jìn)而準(zhǔn)確地分析電抗器夾件中雜散損耗對(duì)于干式鐵心電抗器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)是非常必要的[6]。
　　　
　　計(jì)算雜散損耗的傳統(tǒng)方法是建立在特定的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和大量的回歸數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的。但是該方法在精度上常常不能滿足電抗器物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，特別是在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中[7]。因此充分利用工程電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)電抗器雜散損耗進(jìn)行計(jì)算和分析是十分必要的[8]。
　　
      筆者應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)干式鐵心并聯(lián)電抗器的磁場(chǎng)及損耗進(jìn)行了計(jì)算與分析。針對(duì)干式鐵心并聯(lián)電抗器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，確立了變壓器渦流損耗計(jì)算模型。考慮電抗器夾件處于高漏磁場(chǎng)區(qū)域，渦流損耗過(guò)分集中，設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱現(xiàn)象[9]。因此，筆者對(duì)夾件不同結(jié)構(gòu)尺寸情況進(jìn)行了分析計(jì)算，給出了不同情況下夾件中的渦流損耗分布。
　　
      二、電抗器渦流場(chǎng)計(jì)算模型
　　應(yīng)用 ANSYS 有限元分析軟件計(jì)算電抗器渦流場(chǎng)，未知量（也稱自由度）主要是節(jié)點(diǎn)矢量磁位，其他諸如磁通量密度、渦流密度和損耗等都可以由這些自由度導(dǎo)出。
　　
      考慮到實(shí)際的電抗器在空間結(jié)構(gòu)上不具有整體的軸對(duì)稱性，以往使用的二維或軸對(duì)稱模型只能視作變壓器某些局部場(chǎng)域的近似。因此，筆者主要用三維模型研究電抗器漏磁場(chǎng)在夾件中產(chǎn)生的渦流和損耗。在建立電抗器渦流模型時(shí)，做了以下幾點(diǎn)假設(shè)。
　　（1）電抗器關(guān)于繞組中心連線前后對(duì)稱；
　　（2）近似認(rèn)為夾件材料為線性，即磁導(dǎo)率和電阻率為常數(shù)；
　　（3）所有場(chǎng)量均隨時(shí)間作正弦變化，不考慮高次諧波；
　　（4）忽略位移電流的影響。
　　筆者取 1/2 實(shí)際電抗器建模，激勵(lì)按50Hz工頻計(jì)算，使用Frontal求解器進(jìn)行三維諧波磁場(chǎng)分析[10]。
　　
      電抗器在運(yùn)行中，鐵軛金屬夾件處于正弦交變的磁場(chǎng)中，由磁場(chǎng)在分界面上的邊界條件可知，當(dāng)磁場(chǎng)由非鐵磁介質(zhì)（空氣）進(jìn)入鐵磁物質(zhì)（夾件），其磁力線幾乎是垂直進(jìn)入夾件表面的， 在夾件表面將出現(xiàn)集膚效應(yīng)，集膚效應(yīng)使得磁場(chǎng)集中在夾件表面，即存在夾件材料的淺透入深度現(xiàn)象。當(dāng)夾件的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其材料透入深度時(shí)，為真實(shí)反映夾件集膚效應(yīng)，剖分單元尺寸要小于透入深度值， 這樣箱壁厚度方向應(yīng)多層剖分。正確選擇剖分單元形狀，可以避免單元形狀畸形，保證計(jì)算結(jié)果的精度。
　　
      應(yīng)用ANSYS軟件計(jì)算時(shí)選用了SOLID117單元并采用A法計(jì)算夾件渦流。 夾件作為導(dǎo)電區(qū)域，選 A 和 VOLT 自由度；繞組和空氣為非導(dǎo)電區(qū)域，選A自由度。 在外表面上施加磁力線平行條件，滿足第一類邊界條件；在對(duì)稱面上施加磁力線垂直條件，滿足第二類邊界條件（ANSYS 自然滿足）。加載時(shí)根據(jù)電抗器繞組的安匝分布情況，繞組分了9個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)施加了相應(yīng)的電流密度載荷作為本文中分析的激勵(lì)即載流絞線圈。

      三、計(jì)算與分析
　　筆者以一臺(tái)5000kvar干式鐵心并聯(lián)電抗器為例，分析計(jì)算電抗器夾件中的三維渦流場(chǎng)、渦流損耗分布及其表面的磁通量密度。從圖8中可以看出，對(duì)于模型一、模型二與模型三，隨著夾件高度的減小，夾件的最大磁密不斷減小；并且夾件高度減小的越大，最大磁密減小的越大。對(duì)于模型二、模型四與模型五，在保證鐵軛高度高于夾件高度25mm，同時(shí)保證鐵軛截面積相同的情況下，鐵軛越寬，夾件最大磁密越小。圖9～圖13為五個(gè)模型夾件渦流損耗密度分布云圖。從圖中可以看出夾件最大渦流損耗密度分布在與線圈上端正對(duì)的位置，這同時(shí)是夾件的熱點(diǎn)位置。

      從圖5中可以看出，對(duì)于模型一、模型二與模型三，隨著夾件高度的減小，夾件的最大渦流損耗密度不斷減小；并且夾件高度減小的越大，最大渦流損耗密度減小的越大。對(duì)于模型二、模型四與模型五，在保證鐵軛高度高于夾件高度25mm，同時(shí)保證鐵軛截面積相同的情況下，鐵軛越寬，夾件最大渦流損耗密度越小。
　　
      四、結(jié) 語(yǔ)
　　并聯(lián)電抗器鐵芯夾件的局部過(guò)熱原因是夾件中的局部渦流密度過(guò)大，導(dǎo)致夾件中的局部渦流損耗密度過(guò)大，從而使得夾件局部過(guò)熱，對(duì)應(yīng)的夾件上的熱點(diǎn)應(yīng)為渦流損耗密度最大的位置。根據(jù)上述Ansys計(jì)算結(jié)果，夾件高度的降低將改善夾件中的磁密、渦流損耗密度的分布與大小，并且夾件高度越低，各個(gè)參數(shù)的幅值越低，從而改善夾件的局部過(guò)熱問題，對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義。