第一章 绪论
1.1 课题研究的背景
随着电能用量的不断增加，变压器的单台容量也越来越大，于是对于变压器各项性能的设计要求也越来越高，而杂散损耗及局部过热问题随着变压器的等级提高也成为评估变压器性能好坏的必要指标之一。杂散损耗是电力变压器分析中需要重点关注的问题之一，它主要分布在变压器油箱、拉板、夹件等结构件上，尤其是油箱上的杂散损耗占了变压器杂散损耗的比重很大。更为严重的是，这些杂散损耗分布极不均衡，在油箱的某些部位因损耗集中就可能发生局部过热现象。因此，一般情况下，大容量变压器会在油箱壁内安装屏蔽装置，用来减少油箱上的杂散损耗，但有时不合理的屏蔽安装方式反而会造成新的漏磁场集中点，而产生新的局部过热点。
对于夹件和拉板的涡流损耗也是值得关注的，因为拉板和夹件都位于距离铁芯柱很近的高漏磁区域，容易产生局部涡流密度集中，从而形成局部过热点，因此研究变压器油箱，拉板和夹件上的杂散损耗对提高变压器的变电效率，避免变压器结构件出现影响运行的局部过热以及提高运行安全性具有十分重要的意义。电力变压器的容量和体积随着电力事业的飞速发展而不断增大，但由于受到现阶段运输能力的限制，电力变压器体积不能根据电磁设计的需要而继续增大，因此电力变压器内部就要有很高的电磁负荷密度，可以说容量越大的变压器，它所产生的漏磁通所占的比重也会随之增大，导致变压器的金属结构件中因漏磁场而感应产生的涡流密度也随之增加，变压器内部结构件中的杂散损耗也会随之增大。大体上说，漏磁场的强度每提高 20%，由交变的漏磁场感应出来的杂散损耗将增加 40%。
从上述分析结论可以得到，如果变压器中漏磁场过大，可能会引起金属结构件上的杂散损耗过大或分布过度集中形成局部过热点，很可能会造成电力变压器的非正常运行。目前，基于上述观点使得电力变压器的漏磁场杂散损耗以及温度场的分析和研究，在电力变压器产品设计和开发中日益受到人们的关注。
为解决大容量带来的局部过热问题，需要在设计阶段对特大型变压器内的电磁场进行数值分析，找到损耗密度集中的位置和可能的局部过热点，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都是利用经验公式计算得到，通常也只能获得平均的、粗略的温升数据，对于小容量的变压器，要求不太高的情况时，用传统的方法是可行的。但对于大容量电力变压器，这种传统的分析方法已不再适用。随着计算机技术的迅猛发展，目前国内外科研工作者及企业研发人员主要借助于现代化的计算手段去分析电力变压器的各项性能指标。不过，尽管近年来计算机技术得到了迅速发展，电磁场数值计算方法日趋成熟，但是大型电力变压器三维电、磁、热场等多物理场的分析与损耗的准确计算仍然十分困难。例如，在电力变压器三维磁场分析中遇到的“大尺度”差别问题，即变压器线性尺寸长达数米，而油箱等实心材料的透入深度仅为零点几毫米，难以实现数值分析中网格的合理剖分。如果在小于透入深度的数量级上进行网格剖分，则问题的计算规模将过于庞大，以至于无法实现实际的计算。本课题将在研究现有几种常用商用软件各自特点的基础上，对我国生产的一台240000kVA/500kV 电力变压器产品，应用 MAGNET 商用软件完成变压器油箱中三维漏磁场数值计算及杂散损耗分布的分析，并应用 THERMNET 商用软件完成相应的油箱温度场计算及温升分析，讨论大尺度问题的合理剖分方法及减小局部过热的具体措施，为从事电力变压器产品设计的研发人员提供参考。
1.2 国内外发展动态
随着人们生产生活中对电能的需求不断增大，变压器容量和电压等级相应的迅速提高，这就使得变压器结构件中磁通密度随之增大，从而变压器内部的漏磁通越来越大。变压器结构的复杂程度不断提高，漏磁场在金属结构件上分布不均而引起的油箱和金属结构件的局部过热问题就凸现出来。如果变压器的漏磁屏蔽结构没有起到应有的作用，漏磁集中会使油箱和金属结构件杂散损耗过高，而局部发生过热现象，造成油箱和金属结构件局部过热、温升超标、变压器油气化，甚至造成变压器发生事故。因此，对变压器油箱等金属结构件的漏磁场分布分析和温升的计算一直以来都是人们关注的热点问题，并且随着变压器单台容量的增大，也成为变压器能否安全运行的重要问题之一。大型电力变压器漏磁场及其引起的金属结构件杂散损耗问题，以及局部过热问题，已经成为近年来研究的热点问题。
第二章 多物理场数值分析软件
2.1 电、磁、热场常用仿真软件简介
由于电气设备越来越复杂以及对计算速度和精度的更高要求，工业软件备受人们的关注，它的发展也呈现出越来越广阔的前景。在低频电磁场计算领域，尤其是在变压器仿真计算领域，ANSYS、MAGNET、ANSOFT 等软件已经达到了不可替代的地位，几乎当今所有的电磁场分析都离不开商用软件。对于温度场的分析，近几年来始终是工程界的难题，THERMNET 软件为温度场的准确计算提供了有效的工具。现有的电磁场仿真软件都是基于一定的数值分析算法进行求解计算，对于电气设备的电磁场分析步骤都包括：建模—材料属性—划分网格—加载—求解—后处理等过程，但其中的操作方法却是大有不同，下面对常用的 ANSYS 和 MAGNET 软件做简单介绍，并简要介绍一下 THERMNET 软件温度场计算的功能。
2.1.1 ANSYS 多物理场仿真软件
ANSYS 的电磁场分析有三种方法即：标量位法，矢量位法和棱边单元法。其中矢量位法是基于节点的一种方法，适用于进行三维的静态，时谐，瞬态问题的分析，但当计算区域有导磁材料时，该方法的计算精度就会降低。棱边单元法适用于三维时谐和瞬态问题，但不适用于二维，与矢量位法同时求解模型时，两种方法具有相同泛函数表达式，而棱边单元法更精确，特别是模型有铁区时。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，实用菜单。选项繁多，功能强大，可以分析结构，热流体，电磁场，声场和耦合场。对于建模，可以在 ANSYS 中直接用交互式（GUI）建模，也可以用命令流建模，也可以从 CAD 导入模型。在建立模型前，要设置文件名，选择单元的类型，在 ANSYS中提供了 200 多种不同的单元类型，根据计算的需要进行选择。软件中提供了三种坐标系，笛卡尔，柱坐标和球坐标，也可以自己定义局部坐标系。
第三章 240000kVA/500kV 电力变压器............................... 28-52
3.1 240000kVA/500kV 变压器结构............................. 29-30
3.2 变压器油箱无屏蔽时磁通密度.............................30-38
3.2.1 分层法计算油箱磁通密度............................. 30-34
3.2.2 表面阻抗法计算油箱涡.............................34-38
3.3 不同屏蔽形式对变压器油.............................38-45
3.3.1 磁屏蔽对油箱涡流损耗.............................38-43
3.3.2 电磁屏蔽对油箱涡流损耗.............................43-45
3.4 拉板和夹件的涡流损耗............................. 45-51
3.5 本章小结 .............................51-52
第四章 240000kVA/500kV 电力变压器............................. 52-62
4.1 变压器的温度场分析............................. 52-53
4.2 三种基本的传热方式 .............................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 本章小结 .............................61-62
结论
本文使用电磁场和温度场软件进行耦合求解，首先使用电磁场软件 MAGNET 计算出变压器的油箱，拉板和夹件的涡流损耗，然后将电磁场软件中的模型导入到温度场软件 THERMNET 中，在温度场软件中，需重新设置边界条件，热场问题中提供的边界条件包括：绝热条件，指定温度条件和环境温度条件。本文中使用的边界条件是环境温度条件，此边界条件由对流传热系数，辐射传热系数与周围环境温度决定。将拉板表面的边界条件设置为油，对于切割面则不进行边界设置，同理夹件也进行上述设置。将油箱的内表面设置成与油接触的边界条件，而外表面则是设置成自然环境边界条件。本文设置环境温度为 30 °C ，设置油初始温度为 40 °C ，结构件的热性能见表 4.1。