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1、第45卷第4期Vol.45No.42008年4月TRANSFORMERApril2008壳式空心并联电抗器的三维磁场与电抗计算123刘东升,胡国龙,郑泉(1.保定天威保变电气股份有限公司,河北保定071056;2.长春供电公司,吉林长春130022;3.天威集团保定保菱变压器有限公司,河北保定071056)油1概述绕组壳式空心并联电抗器主要由绕组(含绝缘)、磁屏蔽、夹件(含紧固件)、引线、油箱、套管和冷却装置支撑板等组件构成。磁屏蔽壳式并联电抗器的绕组由若干个辐向尺寸很大紧固螺杆的矩形扁平线饼连接而成,线饼采用专用组合线绕制,竖直放置,线饼之间填充绝缘件。绕组中部
2、没有下夹件铁磁材料,为空心式结构。图1壳式电抗器主体内部立体剖示图磁屏蔽为“口”字形,将绕组完全屏蔽住,磁屏蔽窗内不使用铁磁材料,磁屏蔽外漏磁通很少。油箱为桶式结构,外部有加强铁。由于结构上的特点,与心式带间隙铁心并联电抗器相比,壳式并联电抗器具有磁化线性度好、损耗低、振动小和噪声低等特点。2壳式空心并联电抗器磁场分布和电抗的三维有限元计算2.1磁场计算场域模型的建立从壳式空心电抗器的结构可以看出,绕组、磁屏图2电抗器器身外形图蔽和油箱均为长方体,其磁场计算模型一般不能简使用新标量位法进行三维磁场分布计算时,绕组不化为二维轴对称场或二维平行平面场,只能用三维参与有
3、限元网格剖分,绕组是作为一种特定单元单场域模型进行磁场计算。采用三维方法计算磁场分独建立的,并要保证绕组(导体)的完整性。三维磁场布,对计算机的配置要求较高。计算模型如图3所示。模型由磁屏蔽区、空气区和电壳式电抗器主体内部的结构如图1所示。从图1流元区(绕组)构成。可以看出,实际的壳式空心电抗器由很多部件构成,2.2材料属性确定为简化三维磁场计算模型,通常只考虑对磁场计算在计算场域中,给定空气区和有源区的相对磁结果影响较大的部件。导率μr=1,由材料的磁化特性曲线确定磁屏蔽的相电抗器器身外形图如图2所示。由图2可以看对导磁率为μr=14000。出,由于绕组全部被磁
4、屏蔽包裹着,逸出磁屏蔽的漏2.3边界条件的确定磁通极少。三维建模时,磁屏蔽以外的铁磁结构件不根据绕组中电流的方向,可以确定在计算场域参与计算,这就大大简化了三维场域模型,提高了计范围内,磁力线与xoz平面垂直,为第二类边界条算效率。同时,为了提高磁场计算的精度,充分利用件;磁力线与其他边界面平行,为第一类边界条件。结构上的对称性,将电抗器整体的八分之一,作为三2.4三维磁场计算结果维磁场的计算场域模型。为方便确定边界条件,用空BKDK-40000/500壳式空心并联电抗器的绕组气区将电抗器包裹起来。在ANSYS/Emag软件中,由32个矩形线饼构成,其磁场计算场域
5、模型及剖分第4期刘东升、胡国龙、郑泉:壳式空心并联电抗器的三维磁场与电抗计算21最大线饼最小线饼外限尺寸外限尺寸空气区TH/2H磁屏蔽图6Bsum三维磁场分布图防止发生局部过热。由图6还可以看出,几乎全部的电抗器磁通被限制在由磁屏蔽围成的长方体内,外空气区部漏磁极少。所以,磁屏蔽以外的结构件内不会发生B局部过热现象。为了简化计算,可以取磁屏蔽外表面D磁屏蔽区为场域边界。空/2L气通过对壳式空心并联电抗器的三维磁场分布的O区D计算,可以很方便地得到某些部位的磁场分布数值,为电抗器的损耗计算、受力计算及防止局部过热等OW/2提供了可靠的数据。A2.5电抗计算结果图3三
6、维磁场计算模型应用三维有限元法对3台实际产品的电抗计算结果如图4所示,磁场分布计算结果如图5和图6结果与实测结果的偏差进行了对比,如表1所示。由所示。表1可以看出,电抗计算值的精确度完全可以满足壳式空心并联电抗器产品设计的工程精度要求,达到了课题研究要求。表1电抗计算值与实测值的比较1/8模型剖电抗计算值电抗实测值计算偏差产品型号分单元数/Ω/Ω/%BKDK-40000/5002709425382546-0.30BKDK-50000/50021280203220310.05BKDK-60000/5002128817011704-0.18图4三维场域模型及剖分结果3
7、结论在矩形绕组壳式空心并联电抗器磁场和电抗的计算中,由于结构上不具备简化为二维场的条件,所以采用了三维有限元方法。通过对实际复杂物理模型进行科学合理地简化,建立了适合壳式并联电抗器磁场和电抗计算的通用三维场域模型,确定了边界条件。通过对多台实际产品磁场和电抗的计算,并图5磁密模值Bsum计算结果与实测结果进行比较,其计算偏差不超过0.5%,完由图5可知,绕组中部磁感应强度Ba最大值为全满足工程中对电抗计算精确度的要求。0.3606T,而工程应用上一直使用的的解析公式得参考文献:到的相应部位的磁感应强度Ba为0.3590T,两者相对偏差为0.45%。由图6可以看出,
8、磁场集中部
