干式铁芯并联电抗器夹件部分磁场和损耗计算

      摘 要：应用ANSYS有限元软件对干式铁芯并联电抗器夹件部分三维电磁场和损耗进行了计算，给出了涡流及其损耗的分布。

      关键词：干式铁心并联电抗器；夹件；ANSYS；漏磁场；涡流损耗

      一、引 言
　　并联电抗器主要用来吸收长距离输电线路的对地容性无功功率[1]，他能有效提高输电线路的传输能力，改善电能质量，抑制过电压的产生[2]，在目前电力系统中应用非常广泛。并联电抗器分为空心、铁心等多种结构型式[3]。在干式铁心类电抗器产品中，绕组电流产生的漏磁场将在铁轭金属夹件中产生附加损耗。并且由于它在金属夹件上的分布不均匀，这些集中在小面积上的损耗往往会引起夹件中的局部过热。
　　　
　　因此，杂散损耗已成为对铁心电抗器类产品性能考核的一个重要指标[4]。为了降低杂散损耗，需要对电抗器绕组、夹件内的漏磁通分布、涡流分布和夹件杂散损耗等进行准确的计算[5]。因此，研究可靠准确的磁场、损耗的计算方法，进而准确地分析电抗器夹件中杂散损耗对于干式铁心电抗器产品设计和开发是非常必要的[6]。
　　　
　　计算杂散损耗的传统方法是建立在特定的结构形式、设计者的经验和大量的回归数据基础上的。但是该方法在精度上常常不能满足电抗器物理参数和结构尺寸的优化设计要求，特别是在新产品的设计中[7]。因此充分利用工程电磁场分析软件对电抗器杂散损耗进行计算和分析是十分必要的[8]。
　　
      笔者应用ANSYS有限元软件对干式铁心并联电抗器的磁场及损耗进行了计算与分析。针对干式铁心并联电抗器的复杂结构，进行了合理简化，确立了变压器涡流损耗计算模型。考虑电抗器夹件处于高漏磁场区域，涡流损耗过分集中，设计不当，会产生局部过热现象[9]。因此，笔者对夹件不同结构尺寸情况进行了分析计算，给出了不同情况下夹件中的涡流损耗分布。
　　
      二、电抗器涡流场计算模型
　　应用 ANSYS 有限元分析软件计算电抗器涡流场，未知量（也称自由度）主要是节点矢量磁位，其他诸如磁通量密度、涡流密度和损耗等都可以由这些自由度导出。
　　
      考虑到实际的电抗器在空间结构上不具有整体的轴对称性，以往使用的二维或轴对称模型只能视作变压器某些局部场域的近似。因此，笔者主要用三维模型研究电抗器漏磁场在夹件中产生的涡流和损耗。在建立电抗器涡流模型时，做了以下几点假设。
　　（1）电抗器关于绕组中心连线前后对称；
　　（2）近似认为夹件材料为线性，即磁导率和电阻率为常数；
　　（3）所有场量均随时间作正弦变化，不考虑高次谐波；
　　（4）忽略位移电流的影响。
　　笔者取 1/2 实际电抗器建模，激励按50Hz工频计算，使用Frontal求解器进行三维谐波磁场分析[10]。
　　
      电抗器在运行中，铁轭金属夹件处于正弦交变的磁场中，由磁场在分界面上的边界条件可知，当磁场由非铁磁介质（空气）进入铁磁物质（夹件），其磁力线几乎是垂直进入夹件表面的， 在夹件表面将出现集肤效应，集肤效应使得磁场集中在夹件表面，即存在夹件材料的浅透入深度现象。当夹件的厚度远远大于其材料透入深度时，为真实反映夹件集肤效应，剖分单元尺寸要小于透入深度值， 这样箱壁厚度方向应多层剖分。正确选择剖分单元形状，可以避免单元形状畸形，保证计算结果的精度。
　　
      应用ANSYS软件计算时选用了SOLID117单元并采用A法计算夹件涡流。 夹件作为导电区域，选 A 和 VOLT 自由度；绕组和空气为非导电区域，选A自由度。 在外表面上施加磁力线平行条件，满足第一类边界条件；在对称面上施加磁力线垂直条件，满足第二类边界条件（ANSYS 自然满足）。加载时根据电抗器绕组的安匝分布情况，绕组分了9个区，每个区施加了相应的电流密度载荷作为本文中分析的激励即载流绞线圈。

      三、计算与分析
　　笔者以一台5000kvar干式铁心并联电抗器为例，分析计算电抗器夹件中的三维涡流场、涡流损耗分布及其表面的磁通量密度。从图8中可以看出，对于模型一、模型二与模型三，随着夹件高度的减小，夹件的最大磁密不断减小；并且夹件高度减小的越大，最大磁密减小的越大。对于模型二、模型四与模型五，在保证铁轭高度高于夹件高度25mm，同时保证铁轭截面积相同的情况下，铁轭越宽，夹件最大磁密越小。图9～图13为五个模型夹件涡流损耗密度分布云图。从图中可以看出夹件最大涡流损耗密度分布在与线圈上端正对的位置，这同时是夹件的热点位置。

      从图5中可以看出，对于模型一、模型二与模型三，随着夹件高度的减小，夹件的最大涡流损耗密度不断减小；并且夹件高度减小的越大，最大涡流损耗密度减小的越大。对于模型二、模型四与模型五，在保证铁轭高度高于夹件高度25mm，同时保证铁轭截面积相同的情况下，铁轭越宽，夹件最大涡流损耗密度越小。
　　
      四、结 语
　　并联电抗器铁芯夹件的局部过热原因是夹件中的局部涡流密度过大，导致夹件中的局部涡流损耗密度过大，从而使得夹件局部过热，对应的夹件上的热点应为涡流损耗密度最大的位置。根据上述Ansys计算结果，夹件高度的降低将改善夹件中的磁密、涡流损耗密度的分布与大小，并且夹件高度越低，各个参数的幅值越低，从而改善夹件的局部过热问题，对产品的改进有一定的指导意义。