CN113178313A - 一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构，包括：三组磁屏蔽条，三组磁屏蔽条沿箱盖顶部中心线对称安装在箱盖的内壁上，每组磁屏蔽条均由33片厚度为0.3mm的硅钢片叠积而成，每组磁屏蔽条的长度与网侧绕组的直径对应。所述每组磁屏蔽条的宽度为200mm，长度为1200mm至1800mm。本发明根据有限元软件的仿真计算结果获得换流变压器直流偏磁状态下油箱的过热部位，并提供一种可行的箱顶磁屏蔽结构及安装位置方案，以降低变压器油箱的直流偏磁温升。
Description
技术领域
本发明属于换流变压器技术领域，尤其是确定了直流偏磁下换流变压器油箱的过热部位，并提供了一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构。
背景技术
自我国葛上线±500kV高压直流输电建成以来，就发现了直流接地极地电流会导致接地极附近的变压器发生直流偏磁的现象。随着特高压直流输电的发展，在2015年投运±800kV溪浙直流系统，测到过换流变压器中性点的直流电流高达210A。变压器直流偏磁时，铁芯进入饱和状态，磁导率大幅降低，油箱、拉板、夹件等金属构件中的漏磁通急剧增加，尤其是绕组两端端部位置的漏磁分布密集，造成变压器结构件局部过热，严重时会损毁变压器。
单相四柱式铁芯结构的特高压换流变压器，油箱屏蔽板通常安装于前后内壁上，变压器铁芯的拉板和上下夹件，也都有开槽或铺设屏蔽等措施降低涡流损耗，唯独换流变压器箱顶不带屏蔽，只是由钢板焊接而成。虽然在正常工况时换流变压器箱顶无过热现象，但直流偏磁导致漏磁通大幅增加时，无防护措施的箱顶很容易出现涡流损耗分布过于密集的情况，并出现局部过热。本发明根据发现的油箱的过热部位，提出了一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于针对目前换流变压器箱顶无屏蔽的问题，提供一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构。本发明根据有限元软件的仿真计算结果获得换流变压器直流偏磁状态下油箱的过热部位，并提供一种可行的箱顶磁屏蔽结构及安装位置方案，以降低变压器油箱的直流偏磁温升。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
1)换流变压器直流偏磁过热部位确定
根据电磁场与温度场耦合模型和有限元软件仿真得换流变压器直流偏磁下的温度分布，根据发热规律找出过热部位。有限元软件包括Ansoft Maxwell电磁场仿真软件，以及Steady State Thermal温度场仿真软件。所述的直流偏磁状态在额定工况下于网侧绕组中加入10A直流电流仿真实现。
2)箱顶磁屏蔽结构的材料及安装位置确定
直流偏磁时由于铁芯磁导率大幅下降，换流变压器内部漏磁通远大于正常工作的漏磁通，采用铜和铝材料电屏蔽降低涡流损耗的效果不理想，且电屏蔽本身也会产生一定热量，本发明采用能吸收漏磁通的高导磁硅钢片作为磁屏蔽结构的材料，采用电磁场软件仿真计算，确定磁屏蔽结构及安装位置。
3)箱顶磁屏蔽结构及其安装位置
磁屏蔽结构由三组磁屏蔽条8组成，每组磁屏蔽条8均由0.3mm硅钢片叠积而成，厚为10mm左右(33片)，每组磁屏蔽条8的宽度为200mm，长度为1200mm至1800mm。三组磁屏蔽条8沿箱盖9顶部中心线对称安装在箱盖9的内壁上，每组磁屏蔽条8的长度与网侧绕组5直径对应。
一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构，包括：三组磁屏蔽条8，三组磁屏蔽条8沿箱盖9顶部中心线对称安装在箱盖9的内壁上，每组磁屏蔽条8均由33片厚度为0.3mm的硅钢片叠积而成，每组磁屏蔽条8的长度与网侧绕组5的直径对应。
在上述方案的基础上，所述每组磁屏蔽条8的宽度为200mm，长度为1200mm至1800mm。
附图说明
本发明有如下附图：
图1 10A偏磁电流箱顶无磁屏蔽结构时换流变压器油箱温度分布。
图2 10A偏磁电流箱顶有磁屏蔽结构时换流变压器油箱温度分布。
图3换流变压器三维模型。
图4换流变压器三维模型网格剖分结果。
图5磁屏蔽结构长度为600mm的油箱温升减轻效果。
图6磁屏蔽结构长度为1200mm的油箱温升减轻效果。
图7磁屏蔽结构长度为1800mm的油箱温升减轻效果。
图8磁屏蔽结构长度为2400mm的油箱温升减轻效果.
图9换流变压器箱盖安装磁屏蔽结构的正视图。
图10换流变压器箱盖安装磁屏蔽结构的侧视图。
图中：1-铁芯；2-上夹件；3-拉板；4-阀侧绕组；5-网侧绕组；6-下夹件；7-铜屏蔽板；8-磁屏蔽条；9-箱盖。
具体实施方式
以下结合附图1-10对本发明作进一步详细说明。
如图9-10所示，一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构，包括：三组磁屏蔽条8，三组磁屏蔽条8沿箱盖9顶部中心线对称安装在箱盖9的内壁上，每组磁屏蔽条8均由33片厚度为0.3mm的硅钢片叠积而成，每组磁屏蔽条8的长度与网侧绕组5的直径对应。
在上述方案的基础上，所述每组磁屏蔽条8的宽度为200mm，长度为1200mm至1800mm。
本发明提出的单相四柱式换流变压器箱顶磁屏蔽结构及安装位置方案的建模研究过程包括以下几个步骤：
1)换流变压器直流偏磁过热部位确定
根据建立的电磁场与温度场耦合模型，利用有限元软件仿真得到换流变压器直流偏磁下的温度分布，根据发热规律找出具体过热部位。有限元软件包括Ansoft Maxwell电磁场仿真软件和Steady State Thermal温度场仿真软件。所述的偏磁状态在额定工况下于网侧绕组中加入10A的直流电流实现。
本发明所述的换流变压器为单相双绕组结构，该变压器的铁芯为单相四柱式铁芯，只在中间两主柱上绕有阀侧绕组4和网侧绕组5，旁轭上无绕组，模型建立还包括铁芯1、绕组、拉板3、上夹件2、下夹件6，以及油箱和铜屏蔽板7，如图3所示。
图3所示变压器的结构设计和所用材料数据为厂家的商业机密，本发明利用ANSYSWorkbench平台的Maxwell软件，建立换流变压器三维有限元模型的具体过程可分为以下三步：(1)根据图3设计图纸和各部件的材料数据，建立几何模型并定义材料属性；(2)按图3设置模型边界条件和对各部件进行网格剖分，本发明研究模型的网格剖分如图4所示，其中将油箱壁沿厚度方向分为三层，增加了箱体的网格密度，最终网格剖分数为51542个；(3)添加激励源，本发明需通过场路耦合法计算换流变压器偏磁时绕组的励磁电流，经多次计算与分析，所述的偏磁状态在额定工况下于网侧绕组中加入10A的直流电流实现。
2)确定箱顶磁屏蔽结构的材料及安装位置
利用场路耦合模型计算的换流变压器空载时在0A、1A、2A、5A四种不同量值直流偏置水平下的励磁电流计算结果表明，在没有直流激励的情况下，变压器的空载电流很小，峰值只有不到0.4A，而在网侧绕组5中加入了1A的直流后励磁电流峰值突变到8.9A，且正负半波不对称，励磁电流发生畸变。随着激励电流提高，励磁电流峰值增大，波形畸变严重；加入5A直流后磁通集中分布在两中心柱及连接中心柱的上下铁轭中，此时铁芯处于深度饱和状态。
直流激励仿真计算的结果表明。随着激励电流增大，油箱与铜屏蔽板7的涡流损耗呈增长趋势，而拉板3和夹件的损耗则减小，因此对换流变压器应更关注油箱是否会出现涡流损耗过大、局部过热。变压器铁芯饱和时磁导率大幅下降，变压器内部漏磁通远大于正常的情况，铜屏蔽与铝屏蔽降低涡流损耗的效果不理想，且电屏蔽本身也会产生热量，应采用能够有效吸收漏磁通的高导磁材料硅钢片作为磁屏蔽结构。另外，由于绕组端部的横向漏磁场的影响，箱顶对应两主柱中间的位置磁通密度较大，涡流损耗分布密集，因此将磁屏蔽结构沿箱顶中心线对称安装至网侧绕组5的外径区域，磁屏蔽结构的尺寸数据通过计算来求取。
3)箱顶磁屏蔽结构及其安装位置
根据三维温度场有限元模型，计算得到的0A和10A直流时拉板3、夹件和油箱的温升计算结果如表1所示。再将计算得到的拉板3、夹件和油箱的损耗值作为热源施加到温度场模型中，并添加对流换热系数、环境温度等边界条件，可得到拉板3、夹件与油箱的温度分布和热点的位置。结果表明，在10A直流偏磁电流下，单相四柱式换流变压器箱箱顶的温度最高，过热的部位集中分布于箱顶中心对应两主柱之间的位置，过热点的最高温度为97.75℃。
表1 0A和10A直流下各结构件涡流损耗
选择在变压器箱顶部铺设磁屏蔽结构，由于电屏蔽会造成屏蔽件局部过热，采用硅钢片降低热点温升，减轻过热。取每片0.3mm的硅钢片叠33片(10mm厚)，宽度为200mm和长度分别为600mm、1200mm、1800mm和2400mm，仿真分析磁屏蔽条8的长度对减轻油箱过热的效果，结果如图6-8所示。
可见，长度为600mm的磁屏蔽结构降温效果不理想，当长度增加到1800mm时箱顶温度分布明显变化，热点温度降低至77.86℃，处于中心位置的热点完全消失，且沿磁屏蔽结构铺设的方向出现了温度断层，高温区域沿磁屏蔽结构两端横向分布，没有了局部过热现象，整体温度分布较均匀，过热减轻效果理想；当磁屏蔽结构长度增至2400mm时，油箱顶部整体温度分布并没有发生显著改变。综合油箱温升减轻效果和经济效益，磁屏蔽结构长度取1200mm到1800mm之间为宜。
本发明的效果：
图1是通过电磁场与温度场耦合，将10A直流偏磁电流下的每周期涡流损耗平均值作为热源带入到温度场有限元软件中，仿真获得的单相四柱式换流变油箱的温度分布，过热部位集中分布于箱顶中心对应两主柱之间的位置，热点温度为97.75℃。在箱顶过热部位安装长为1800mm、宽为200mm和厚为10mm的磁屏蔽结构后，仿真得到的油箱温度分布如图2所示，与图1相比原箱顶过热部位完全消失，温度分布更均匀，热点温度降为77.86℃，降温效果理想。
对比图1和图2可见，本发明提出的换流变压器箱顶磁屏蔽结构，可有效降低变压器的温升，可用于变压器设计制造。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (2)
1.一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构，其特征在于，包括：三组磁屏蔽条(8)，三组磁屏蔽条(8)沿箱盖(9)顶部中心线对称安装在箱盖(9)的内壁上，每组磁屏蔽条(8)均由33片厚度为0.3mm的硅钢片叠积而成，每组磁屏蔽条(8)的长度与网侧绕组(5)的直径对应。
2.如权利要求1所述的换流变压器箱顶磁屏蔽结构，其特征在于，所述每组磁屏蔽条(8)的宽度为200mm，长度为1200mm至1800mm。
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| CN202110289424.4A CN113178313A (zh) | 2021-03-18 | 2021-03-18 | 一种换流变压器箱顶磁屏蔽结构 |
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2021
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