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38000字硕士毕业论文电力变压器三维泄漏磁场与温度场耦合的研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:38000字
论点:变压器,损耗,油箱
论文概述:

本文将选择 MAGNET 软件对电力变压器进行漏磁场和涡流损耗的分析,采用时谐场求解模块进行求解。在以往使用的漏磁场计算软件中,对于硅钢片材料的磁导率,一般都是给定一个方向或者是三

论文正文:

第一章导言

1.1项目研究背景
随着功耗的不断增加,单个变压器的容量越来越大。因此,对变压器各种性能的设计要求越来越高。随着变压器等级的提高,杂散损耗和局部过热问题成为评价变压器性能的必要指标之一。杂散损耗是电力变压器分析中需要密切关注的问题之一。主要分布在变压器油箱、拉板、夹具等结构部件上。特别是油箱上的杂散损耗占变压器杂散损耗的很大一部分。更严重的是,这些杂散损耗的分布极不均匀,并且由于集中损耗,油箱的某些部分可能发生局部过热。因此,一般来说,大容量变压器会在油箱壁上安装屏蔽装置,以减少油箱上的杂散损耗,但有时不合理的屏蔽安装方法反而会造成新的漏磁场集中点和新的局部热点。
同样值得注意的是夹具和拉板的涡流损耗,因为拉板和夹具都位于靠近铁芯柱的高漏磁区,容易产生局部涡流密度集中,从而形成局部热点。因此,研究变压器油箱、拉板和夹具上的杂散损耗,对于提高变压器改造效率,避免变压器结构局部过热影响运行,提高运行安全性具有重要意义。随着电力工业的快速发展,电力变压器的容量和体积不断增加。但是,由于现阶段运输能力的限制,电力变压器的体积不能按照电磁设计的要求继续增加。因此,电力变压器内部必须有高电磁负载密度。可以说,变压器容量越大,其产生的漏磁通比例越大,导致变压器金属结构中漏磁场感应的涡流密度也越大,变压器内部结构中的杂散损耗也会增加。一般来说,漏磁场强度每增加20%,交变漏磁场引起的杂散损耗就会增加40%。
从以上分析结论可以看出,如果变压器中的漏磁场过大,可能会导致金属结构上的杂散损耗过大或分布过于集中,形成局部热点,从而导致电力变压器的异常运行。目前,基于上述观点,对电力变压器漏磁场和温度场杂散损耗的分析和研究在电力变压器产品的设计和开发中越来越受到重视。
为了解决大容量引起的局部过热问题,有必要在设计阶段对特大型变压器进行电磁场数值分析,找出损耗密度集中和可能出现局部过热的位置,进而改进设计方案,采取有效措施防止局部过热的发生。传统上,变压器的杂散损耗和温升通过经验公式计算,通常只能获得平均和粗略的温升数据。对于小容量变压器,当要求不高时,传统方法是可行的。然而,对于大容量电力变压器,这种传统的分析方法不再适用。随着计算机技术的飞速发展,国内外研究者和企业研究者主要依靠现代计算方法来分析电力变压器的各种性能指标。然而,尽管近年来计算机技术飞速发展,电磁场数值计算方法日益成熟,但大型电力变压器三维电场、磁场和热场的损耗仍然很难分析和准确计算。例如,电力变压器三维磁场分析中遇到的“大尺度”差分问题是变压器的线性尺寸为几米长,而油箱等固体材料的穿透深度仅为十分之几毫米,这使得在数值分析中难以实现合理的网格划分。如果网格划分的数量级小于穿透深度,问题的计算规模将太大,无法实现实际计算。本课题将在研究几种常用商业软件各自特点的基础上,运用MAGNET商业软件完成国产240,000千伏安/500千伏电力变压器产品变压器油箱杂散损耗分布的数值计算和分析,运用THERMNET商业软件完成相应的油箱温度场计算和温升分析,探讨大规模问题的合理细分方法和减少局部过热的具体措施,为从事电力变压器产品设计的研究者提供参考。

1.2国内外发展趋势
随着人们生产生活对电能需求的不断增加,变压器容量和电压水平也相应快速增加,这增加了变压器结构中的磁通密度,从而增加了变压器内部的漏磁通。变压器结构的复杂性不断增加,金属结构上漏磁场分布不均引起的油箱和金属结构局部过热问题日益突出。如果变压器的漏磁屏蔽结构没有发挥其应有的作用,漏磁集中会导致油箱和金属结构部件的杂散损耗过大,局部过热会发生,导致油箱和金属结构部件局部过热、温升过大、变压器油气形成,甚至变压器事故。因此,变压器油箱等金属结构部件的漏磁场分布分析和温升计算一直是人们关注的热点问题,随着单台变压器容量的增加,变压器能否安全运行也成为重要问题之一。大型电力变压器漏磁场、金属结构杂散损耗和局部过热已成为近年来的热点问题。

第二章多物理场数值分析软件

2.1电气、磁场和热场通用仿真软件简介
由于电气设备日益复杂,对计算速度和精度的要求越来越高,工业软件备受关注,其发展显示出越来越广阔的前景。在低频电磁场计算领域,尤其是变压器仿真计算领域,软件如ANSYS、magnet、ANSOFT已经达到了不可替代的地位,如今几乎所有的电磁场分析都离不开商业软件。对于温度场的分析,近年来一直是工程领域的一个难题。THERMNET软件为精确计算温度场提供了有效的工具。现有电磁场仿真软件是基于一定的数值分析算法进行求解计算的。对于电气设备,电磁场分析步骤包括:建模、材料属性、网格划分、加载、求解、后处理等过程。然而,操作方法却大不相同。以下是常用的ANSYS和MAGNET软件的简介,以及THERMNET软件在温度场计算中的功能简介。

2 . 1 . 1 ANSYS多物理场仿真软件
有三种电磁场分析方法,即标量位势法、矢量位势法和边缘元法。其中,矢量位势法是一种基于节点的方法,适用于三维静态、时间谐波和瞬态问题的分析。然而,当计算区域中存在导磁材料时,该方法的计算精度将会降低。边缘单元法适用于三维时谐瞬态问题,但不适用于二维。当用向量位势法同时求解模型时,两种方法具有相同的通用函数表达式,而边元法更精确,特别是当模型有铁区时。ANSYS主窗口有状态栏、命令输入窗口、图像显示窗口、工具栏、图形显示控制按钮集、主菜单和实用菜单。它具有多种选择和强大的功能,可以分析结构、热流、电磁场、声场和耦合场。对于建模,可以直接在ANSYS中使用交互建模,也可以使用命令流建模,还可以从计算机辅助设计中导入模型。在建立模型之前,应该设置文件名并选择单元类型。在ANSYS中提供了200多种不同的单元类型,可以根据计算的需要进行选择。该软件提供三个坐标系,笛卡尔坐标系、圆柱坐标系和球面坐标系,还可以定义自己的局部坐标系。

第三章240,000千伏安/500千伏电力变压器..............................28-52
3.1 240,000千伏安/500千伏变压器结构.............................29-30
3.2磁通量密度.............................30-38[/溴/] 3.2.1储罐磁通量密度的计算.............................30-34
变压器油箱无屏蔽时分层法3.2.2油箱涡流的计算.............................34-38 [/BR/] 3.3变压器油的不同屏蔽形式.............................38-45
通过表面阻抗法3.3.1.............................38-43 [/BR/] 3.3.2.............................43-45
电磁屏蔽油箱涡流损耗3.4拉板和夹具涡流损耗.............................45-51 [/BR/] 3.5本章概述.............................51-52
第4章240,000千伏安/500千伏电力变压器温度场分析.............................52-62
4.1变压器.............................52-53
4.2三种基本传热方法.............................53-55
4.3变压器磁热场耦合分析.............................55-57
4.4变压器磁热耦合分析.............................57-61
4.5本章概述.............................61-62

结论

本文利用电磁场和温度场软件来解决耦合问题。首先,利用电磁场软件MAGNET计算变压器油箱、拉板和夹具的涡流损耗。然后将电磁场软件中的模型导入温度场软件THERMNET。在温度场软件中,边界条件需要重置。热场问题中提供的边界条件包括绝热条件、规定温度条件和环境温度条件。本文使用的边界条件是环境温度条件,它由对流传热系数、辐射传热系数和环境温度决定。将拉板表面的边界条件设置为油,不要设置切割表面的边界。类似地,夹具也如上设置。油箱的内表面被设置为与油接触的边界条件,而外表面被设置为自然环境边界条件。环境温度设定为30℃,初始油温设定为40℃。结构构件的热性能见表4.1。