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基于ANSYS的高过载配变电磁场仿真及损耗计算

更新时间:2009-03-28

0 引言

农村地区配电变压器日常负载率在30%~60%之间,大部分时间处于轻载状态。但在春节、清明等重大节假日期间,由于外出务工人员集体返乡,使得农村居民用电负荷大幅上升,造成配变短时最高负载率可达160%以上,严重影响了配电网的安全稳定运行[1]

现行教材的探究活动对地图的使用比例较低,除有的探究活动本身不需要地图外,很大程度上是受教材篇幅的限制。如果在开展探究活动时需要使用专题地图,建议使用配套的地图册或电子地图。另外,示意图能够突出关键信息,且所占篇幅相对较少,编写教材时可以考虑使用示意图代替专题地图。

目前,针对配变短时过载问题主要通过拆分台区、更换大容量配变和加装风扇、冷却喷淋装置等来解决,存在建设周期长、日常空载损耗大或后期运维量大等问题[2]。高过载能力配变的研制为解决上述问题提供了新的思路,在额定容量不变的前提下,配变的短时过载能力得到显著提高,保证了春节及农忙期间的安全可靠供电。2014年国家电网有限公司开始规模应用配变后,高过载配变得到了广泛的关注,其不仅节省了大量的人力资源,还能减少跳闸次数,提升用户满意度[3-4]

高过载变压器与普通变压器最大的不同就在于高过载变压器需要承受的电流高于额定电流,有时甚至是额定电流的2 倍,这样大大增加了变压器的温升和损耗,因此,降低变压器损耗至一定范围内显得尤为重要。从经济运行角度,高过载能力配变在年平均负载率低、负荷峰谷差大的条件下,其年综合损耗才能优于具备同样承载能力的常规变压器,体现其安全性和经济性[5-6]

因此,研究高过载配变在不同负载下的损耗具有重要的工程意义。以往厂家多采用传统的经验公式法进行简单计算,但由于变压器的设计结构的差异,由经验公式计算出的损耗分布缺乏准确性。本文基于Maxwell 建立了高过载配变的电磁场仿真模型,不仅可以查看整个高过载配变的电磁场分布情况,还提供了一种更准确直接的损耗计算模型,为变压器的设计和生产提供有效依据[7-8]

1 高过载配变损耗计算方法

变压器损耗是变压器设计及生产的重要性能指标,主要包括空载损耗和负载损耗。本文将通过电力变压器设计手册中的经验公式[9]和有限元建模仿真进行计算。

1.1 经验公式法

空载损耗(P0)计算按式(1)进行计算。

核聚变现象最早于1933年被发现。1952年,第一次实现了核聚变爆炸。然而,从发现核聚变现象至今,受控核聚变的研究还没有实现有益的能量输出。

 

式(1)中:Kp0-空载损耗工艺附加系数,铁心为全斜接缝时;ptx-铁心硅钢片单位损耗(W/kg);Gtx-铁心硅钢片总重量(kg)。

国家电网有限公司企业标准要求必须满足图1所示的过负荷曲线。与国际标准相比,高过载能力配变的过负荷能力提高了6 倍左右。部分厂家资料显示,其生产的高过载配变能在2.0 倍过载条件下运行16 h,2.5 倍过载条件下运行3 h,如表1 所示。

 

式(2)中:mx-相数;I-分接的相电流(A);Rq-分接的相电阻(Ω)。

绕组附加损耗(Pf)按式(3)进行计算。

 

式(3)中:PR-绕组导线的电阻损耗(W);Kf%-绕组导线的附加损耗系数(%),一般用占导线电阻损耗的百分数表示。

风险识别是风险管理工作中的首要前提,可以发现潜在的护理风险因素,例如未按照科室的标准流程执行护理操作,护理记录不完善等。对于这些现存的风险或潜在风险加以评估,判断其发生的概率及可能产生的后果。

当电流通过引线时,由于引线有电阻存在,而产生引线的电阻损耗,可按式(4)计算:

 

式(4)中:mx-相数;I-引线相电流(A);Ry-引线相电阻(Ω)。

利用Maxwell 3D 有限元仿真软件中的涡流场模块对所建立的配变模型进行电磁场仿真,对高压绕组逐层施加额定电流23 A,对低压绕组逐层施加额定电流577 A,仿真结果如图3 所示。其中图3(a)为铁芯的XY 轴截面磁通密度分布图,图3(b)为各层绕组沿XY 轴截面的电流密度分布图。由图(3)可知,铁芯的磁密约为1.29 T,绕组由于涡流效应在两端处电流密度较大,仿真结果与工程实际情况相符。

1.2 基于有限元的仿真计算方法

变压器型号为S13-M-400/10/0.4,仿真模型由油箱、高低压绕组、铁芯和变压器油组成。油箱采用的是Q235A 钢板,铁芯柱由23Q90 硅钢片叠成,变压器所用材料的物理特性如表2 所示。

以400 kVA 自然油循环冷却配电变压器为原型,建立三维电磁场有限元仿真模型。变压器主要参数:低压侧绕组额定电压为0.4 kV,额定电流为577 A;绕组为层式结构,共2 层,每层的厚度为11.25 mm,内半径为138 mm,外半径为191 mm;油道宽度为4 mm;高压侧额定电压为10 kV,额定电流为23 A;共13 层,每层厚度1.82 mm,内半径为208 mm,外半径为278 mm;4 层与5 层间是全油道,8 层与9 层间是半油道,油道宽度为4 mm;变压器铁芯采用23Q90 型硅钢片,铁芯重709.4 kg;变压器油箱的尺寸为960 mm×540 mm×1020 mm,厚度为4 mm,材料为Q235A 钢板,三维配变仿真模型如图2 所示。

1.3 计算参数的的设定

绕组导线电阻损耗(PR)按式(2)进行计算。

  

图1 高过载配变的过负荷曲线Fig.1 Overload curve of high overload transformer

根据《农网高过载能力配电变压器技术导则》的规定,高过载配变在正常温升试验要求的基础上,应具备1.5 倍额定容量下运行6 h(负荷上升和下降阶段各3 h)、1.75 倍额定容量下运行3 h(负荷上升和下降阶段各1.5 h)、2.0 倍额定容量下运行1 h的阶段性连续运行能力,且不影响变压器正常使用寿命[12]

我国是有五千年灿烂文明的古国,公元前1046年的周王朝,周王官学要求学生掌握的六种基本才能分别是礼、乐、射、御、书、数,其中礼就代表了礼节、礼仪,当代大学生代表着祖国的未来和希望,礼仪的传承从某种意义上说就是对国家文明的传承,所以礼仪文化教育应该是所有文化的基础,更是一种意识,一种文明礼让的意识。但是今天的传道授业,更专注于专业课和文化课的传授,没有在潜移默化中进行礼仪文化教育的熏陶,大学生更加不会注意到礼仪文化的重要性,久而久之就会忽略这个国家传承的瑰宝,这将会致使我国礼仪文明日趋枯竭。

职业技能竞赛绝大部分赛项均由企业提供技术、软件支持和仪器设备的赞助。这些技术、软件以及仪器设备就是目前相关行业最新的社会需求走势。这就要求高职院校在实践教学过程中,及时更新教学软硬件条件,加强校内实践教学高新技术、设备的引入,加强校内实训室的建设。同时,为了真正实现学校与企业零距离的衔接,各高职院校必须充分利用社会资源,积极寻求校企合作,有力地促进社会高新企业参与高职教育,建立合作共赢的校外实训基地,合作共育社会所需人才。

综合考虑,将选择额定电流、1.5 倍额定电流、1.75 倍额定电流、2 倍额定电流作为损耗计算的激励源。

 

表1 配变过负荷能力对比表Table 1 Comparison table of overload capacity of distribution transformer

  

过负荷倍数允许时间/min普通配变国网部分厂家1.4580360长期1.7520180长期2.001060960

2 高过载配变电磁场仿真建模及结果分析

2.1 高过载配变有限元模型的建立

Maxwell 有3 种求解环境,分别是静态、涡流和瞬态。在Maxwell3D 涡流场仿真中,可以同时考虑铁芯和绕组的涡流损耗,忽略磁滞损耗。通过自定义材料的参数,设定铁芯和绕组的相关参数,对变压器施加激励源后,软件可以自动计算出模型各个结构的损耗值。因此,参数的设定十分重要,跟实际值越接近,计算结果越准确[11]

  

图2 三维配变仿真模型Fig.23D simulation model of distribution

2.2 材料设置

Maxwell 3D 是Ansoft 机电系统设计解决方案的重要组成部分,它是一个包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场等分析模块三维电磁场有限元分析软件[10]

仿真中忽略油箱材料磁性能的非线性,按线性处理。为了减小涡流损耗,硅钢片的厚度设为0.3 mm,变压器铁芯采用23Q90 号硅钢片。

 

表2 仿真材料设置Table 2 Simulation material Settings

  

部件油箱铁芯绕组油电导率6484000300058000000∞相对磁导率非线性非线性11导热系数50213380.13比热容4004503861838.5

2.3 电磁场仿真结果分析

(3)按测温曲线推断:若地温达到180 ℃,推测钻探深度需达到2 800 m,研究区干热岩勘查有一定的前景,值得进一步研究。

  

图3 高过载配变电磁场分布图Fig.3 Electromagnetic field distribution diagram of high overload distribution transformer

2.4 损耗计算

电磁场仿真完成后,通过后处理中的场计算器,可以计算模型中各个模块的欧姆损耗。利用上述模型和仿真方法分别计算高过载配变在不同负载下的损耗情况,结果如表3 所示。

 

表3 不同负载电流下配变各部分损耗Table 3 Loss of distribution transformer under different loads

  

12损耗额定电流倍数A 相低压绕组1 A 相低压绕组2 A 相高压绕组1 A 相高压绕组2 A 相高压绕组3 B 相低压绕组1 B 相低压绕组2 B 相高压绕组1 B 相高压绕组2 B 相高压绕组3 C 相低压绕组1 C 相低压绕组2 C 相高压绕组1 C 相高压绕组2 C 相高压绕组3铁芯265.8173.9147.8160247.8399.8235.3219.8182.7289.9262.6176.4140.9155.1244.23801.5598.0391.3323.5360.1557.5899.6529.5494.5411.0652.3590.9396.8317.2348.9549.43801.75813.1531.7439.3489.7758.41224.5720.3672.8559.5887.8805.5540.6432.5475.1748.13811062.1694.5573.8639.7990.71599.5940.9878.8730.71159.71052.2706.2564.9620.5977.2383

从表3中可知,通过有限元仿真计算,不仅能计算出变压器在不同负载下的总体损耗,更能反映出变压器不同部位在不同负载下的损耗差异。其中,B 相绕组损耗总量相比A、C 两相较大,高压绕组损耗总量相比低压绕组较大。

3 试验分析

3.1 试验方法

将该高过载配变按设计方案生产后,按标准进行出厂试验,试验项目中包括负载损耗测量和空载损耗测量[13],图4 为高过载配变装配图。

  

图4 高过载配变装配图Fig.4 Assembly drawing of high overload transformer

变压器空载试验一般从低压绕组施加正弦波波形额定频率的额定电压。其他绕组开路,高压中性点接地。铁芯接地,套管和油箱外壳应可靠接地,具体操作按标准GB/T14549-93 进行。

我国是一个以煤炭为主要能源的国家,长期以来,煤炭在我国一次性能源生产和消费中的比重一直在60%以上,而且这种格局在短期内不会根本改变。2017年,我国生产原煤35.2亿吨,同比增长3.3%。

变压器负载损耗一般从电压高电流小绕组施加正弦波波形额定频率的额定电流。其它绕组分别短路,试验应在每对绕组间进行。铁芯接地套管和油箱外壳应可靠接地。施加电流要符合标准规定,一般施加额定电流50%~100%。试验方法如表(4)。

 

表4 试验方法Table 4 Test methods

  

序号1两绕组变压器加压绕组高压绕组短路绕组低压绕组

3.2 试验结果对比分析

将试验所得数据进行整理,实测损耗结果整理如表5 所示,表中I表示额定负载电流。

 

表5 试验结果Table 5 Test results

  

2I 13747负载电流损耗/W I 31541.5I 73131.75I 10330

为了使经验公式法计算结果和基于Maxwell 的有限元仿真法计算结果更直观比较,将3 类数据按负载情况画到同一个折线图上,如图5 所示。

授课对象为高职一年级学生,学生的基本特点:(1)学习基础比较薄弱,学习成绩较差;(2)厌学思想比较严重,主动学习意识较差;(3)对理论知识比较抵触,对实践操作性内容相对比较感兴趣;(4)在学习本门课程之前,对会计行业及岗位相关知识缺乏了解,缺少感性认识。

  

图5 高过载配变损耗计算对比图(I为额定电流)Fig.5 Comparison of calculation of transformer loss with high overload(I is the rated current)

由图5可知,通过基于Maxwell的有限元模型计算损耗,在数值上与经验公式法计算结果相近。3种数据相比,通过仿真所得的计算结果与试验实测数据更加接近。这是因为仿真模型各项参数都与实际变压器原型保持一致,计算结果准确客观,而经验公式法中各项系数的确定与选择都较为主观,有所偏差。

2.1 HER-2蛋白在3组中的表达 在80例OC患者、40例良性卵巢肿瘤组织、20例正常卵巢组织的石蜡组织切片中,HER-2蛋白表达阳性率分别为 42.5%(34/80)、0.25%(1/40)、0.00%(0/20), 卵巢癌患者与良性卵巢组织以及正常卵巢组织表达有明显的差异,有统计学意义(P<0.05)(如表 1),而良性卵巢组织和正常卵巢组织表达差异(P>0.05)。

4 结语

本文基于Maxwell中Eddy current模块对400 kVA自然油循环高过载配变建立电磁场三维仿真模型,分别对配变不同负载电流下的电磁场分布和损耗进行数值仿真计算及分析,得出以下结论:

1)对高过载配变额定电流下的电磁场分布进行仿真,平均磁场密度在1.29 T 左右,由于涡流效应,电流集中分布在绕组的两端。高过载配变在额定电流下的损耗较小,经济性较好。

2)基于所建立的电磁场仿真模型,对高过载配变在不同负载电流下的损耗进行计算。由仿真结果可知,变压器过载时,损耗大大增加,1.5 倍额定电流下的损耗是额定电流下的两倍多,因此高过载配变只适用于短时过载不适用于长期过载的情况。

3)将通过仿真计算和经验公式计算的损耗结果与试验实测值比较,结果表明通过有限元仿真的损耗计算结果更接近实际情况,建立模型后可以对多种负载下的损耗情况进行模拟计算,方便直接。

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韦玮,李力,沈泉宇
《湖北电力》 2018年第06期
《湖北电力》2018年第06期文献

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