干式鐵芯并聯電抗器夾件部分磁場和損耗計算

      摘 要：應用ANSYS有限元軟件對干式鐵芯并聯電抗器夾件部分三維電磁場和損耗進行了計算，給出了渦流及其損耗的分布。

      關鍵詞：干式鐵心并聯電抗器；夾件；ANSYS；漏磁場；渦流損耗

      一、引 言
　　并聯電抗器主要用來吸收長距離輸電線路的對地容性無功功率[1]，他能有效提高輸電線路的傳輸能力，改善電能質量，抑制過電壓的產生[2]，在目前電力系統中應用非常廣泛。并聯電抗器分為空心、鐵心等多種結構型式[3]。在干式鐵心類電抗器產品中，繞組電流產生的漏磁場將在鐵軛金屬夾件中產生附加損耗。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引起夾件中的局部過熱。
　　　
　　因此，雜散損耗已成為對鐵心電抗器類產品性能考核的一個重要指標[4]。為了降低雜散損耗，需要對電抗器繞組、夾件內的漏磁通分布、渦流分布和夾件雜散損耗等進行準確的計算[5]。因此，研究可靠準確的磁場、損耗的計算方法，進而準確地分析電抗器夾件中雜散損耗對于干式鐵心電抗器產品設計和開發是非常必要的[6]。
　　　
　　計算雜散損耗的傳統方法是建立在特定的結構形式、設計者的經驗和大量的回歸數據基礎上的。但是該方法在精度上常常不能滿足電抗器物理參數和結構尺寸的優化設計要求，特別是在新產品的設計中[7]。因此充分利用工程電磁場分析軟件對電抗器雜散損耗進行計算和分析是十分必要的[8]。
　　
      筆者應用ANSYS有限元軟件對干式鐵心并聯電抗器的磁場及損耗進行了計算與分析。針對干式鐵心并聯電抗器的復雜結構，進行了合理簡化，確立了變壓器渦流損耗計算模型。考慮電抗器夾件處于高漏磁場區域，渦流損耗過分集中，設計不當，會產生局部過熱現象[9]。因此，筆者對夾件不同結構尺寸情況進行了分析計算，給出了不同情況下夾件中的渦流損耗分布。
　　
      二、電抗器渦流場計算模型
　　應用 ANSYS 有限元分析軟件計算電抗器渦流場，未知量（也稱自由度）主要是節點矢量磁位，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出。
　　
      考慮到實際的電抗器在空間結構上不具有整體的軸對稱性，以往使用的二維或軸對稱模型只能視作變壓器某些局部場域的近似。因此，筆者主要用三維模型研究電抗器漏磁場在夾件中產生的渦流和損耗。在建立電抗器渦流模型時，做了以下幾點假設。
　　（1）電抗器關于繞組中心連線前后對稱；
　　（2）近似認為夾件材料為線性，即磁導率和電阻率為常數；
　　（3）所有場量均隨時間作正弦變化，不考慮高次諧波；
　　（4）忽略位移電流的影響。
　　筆者取 1/2 實際電抗器建模，激勵按50Hz工頻計算，使用Frontal求解器進行三維諧波磁場分析[10]。
　　
      電抗器在運行中，鐵軛金屬夾件處于正弦交變的磁場中，由磁場在分界面上的邊界條件可知，當磁場由非鐵磁介質（空氣）進入鐵磁物質（夾件），其磁力線幾乎是垂直進入夾件表面的， 在夾件表面將出現集膚效應，集膚效應使得磁場集中在夾件表面，即存在夾件材料的淺透入深度現象。當夾件的厚度遠遠大于其材料透入深度時，為真實反映夾件集膚效應，剖分單元尺寸要小于透入深度值， 這樣箱壁厚度方向應多層剖分。正確選擇剖分單元形狀，可以避免單元形狀畸形，保證計算結果的精度。
　　
      應用ANSYS軟件計算時選用了SOLID117單元并采用A法計算夾件渦流。 夾件作為導電區域，選 A 和 VOLT 自由度；繞組和空氣為非導電區域，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）。加載時根據電抗器繞組的安匝分布情況，繞組分了9個區，每個區施加了相應的電流密度載荷作為本文中分析的激勵即載流絞線圈。

      三、計算與分析
　　筆者以一臺5000kvar干式鐵心并聯電抗器為例，分析計算電抗器夾件中的三維渦流場、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的位置，這同時是夾件的熱點位置。

      從圖5中可以看出，對于模型一、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 語
　　并聯電抗器鐵芯夾件的局部過熱原因是夾件中的局部渦流密度過大，導致夾件中的局部渦流損耗密度過大，從而使得夾件局部過熱，對應的夾件上的熱點應為渦流損耗密度最大的位置。根據上述Ansys計算結果，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，各個參數的幅值越低，從而改善夾件的局部過熱問題，對產品的改進有一定的指導意義。