大型变压器压轭结构电磁性能研究及电力箱柜除湿系统设计曹中占

曹中占

（山东华驰变压器股份有限公司山东成武274200）

摘要：随着当代电网的快速发展，大容量的变压器应用的越来越广泛，变压器的可靠运行对维护电网的安全有着极为重要的意义。由于大容量的变压器往往体积庞大，容易受到运输条件的限制，在保障容量不变的条件下减小变压器的尺寸成为大容量变压器设计中的一个新的途径。压轭变压器就是在设计过程中采用压轭方法减小变压器体积的特殊结构变压器。由于变压器结构发生了变化，变压器的电磁性能也会有相应的改变，因此研究压轭结构对变压器的电磁性能影响对今后相关产品的设计制造具有重大意义。鉴于此，本文是对压轭结构变压器电磁性能研究及电力箱柜除湿系统设计进行研究和分析，仅供参考。

关键词：压轭变压器，电磁场，铁心振动，电力箱柜，除湿系统

一、国内外研究现状

1、变压器电磁特性及振动特性研究现状

从麦克斯韦方程组的建立开始，电磁场和电磁波的相关领域的研究开展的越来越广泛，分析相关产品设备的电磁特性已经成为设计制造的重要组成部分。随着变压器单机容量的越来越大，电压等级不断升高，对于变压器的电磁特性分析也成为众多国内外学者的重要研究对象。1964年，Winslow在求解二维矢量磁场问题中采用了有限差分法。进入七十年代，Chari和Silvester等人采用有限元方法开展了电磁场的相关数值研究工作，有限元方法开始占据着电磁场分析计算的主导地位。1972年，Trowbridge对有关电磁场分析中的二维和三维领域做了大量研究，成功推导出二维、三维场问题的离散形式，并提出了积分方程法的思想。此后，英国的卢瑟福实验室将积分方程和微分方程结合起来，提出了求解三维静磁场的双标量位法。在上述的电磁场数值分析的基础之上，我国学者也对变压器产品进行了多领域深层次的研究。重庆大学周剑明利用A-ψ方法进行了变压器漏磁场的有限元计算分析。沈阳工业大学李岩在现有研究的基础上完善了三维瞬态涡流场的T-Ω有限元分域求解方法，并且进行了所用方法计算软件的开发应用。华南理工大学冯超运用磁路法计算分析了非金合金变压器的铁心磁场分布，并使用有限元方法进行了相关验证磁路法计算的结果。沈阳工业大学康雅华博士对变压器叠片铁心主磁场瞬变过程进行了研究，分析了铁轭磁密饱和度对空载损耗带来的影响。

2、电力箱柜除湿系统研究现状

目前常用电力网络中的电力箱柜的防潮除湿工作大多数是直接使用电热棒或红外加热的办法，部分箱柜内部设置有防凝露控制器以达到除湿防潮目的。采用升温烘烤的途径虽然可以对电力箱柜起到部分防潮作用，但从本质出发该方法并未去除箱柜内部的水分，大量的水分仍然存在于柜内空气中时刻威胁着电气设备的安全运行，采用传统的除湿方法大多采用连续工作制消耗大量的电能。H.Iwahara和H.Matsumoto等人采用质子导电陶瓷作为固体的电解质，设计了利用电化学反应的除湿装置，使用该方法让水分在装置的阳极部分产生电解过程，电解产生的质子在受到电流的作用下转移到该装置的电解质内并穿过电解质膜，最后停留在该装置的阴极发生放电反应，氢分子最终释放到该装置阴极产生的气体当中，或者可以直接与空气中的氧气进行化学反应从而又形成水蒸气。前一部分是水蒸气电解之后在阳极产生氧气，在阴极产生氢气；后一部分是质子与空气中的氧产生化学反应最后产物为水。参考两部分过程，在该装置的阳极器件内，水蒸气都会有大量的减少，所以可以被看作是通过氢泵装置的电化学除湿。张立志等人对利用压差的膜除湿方法做了大量工作，当前采用膜技术对空气进行除湿工作大多采用运用膜两边压力差作为穿透膜的动力，为了提高除湿效果，采取增大两边压力差会有一定效果。PaulScovazzo等人则是将膜除湿方法和冷凝除湿方法结合使用，并且做了相关的除湿效果实验总结。使用该方法冷凝液体不需要和潮湿空气进行直接反应，而是采用将水蒸气作为循环冷却水直接回收，通过实验分析该方法具有较强的除湿效果。卢路,蔡文建等人则提出了一种HVAC除湿方法，该除湿方法是通过结合冷凝技术和加热技术来使空气的相对湿度降低的，但是该方法只能降低空气的相对湿度而并不能完成对水分的去除工作，且结构复杂，投资偏高。液体除湿是使用传统LiCl等相关除湿材料作为吸收剂，由除湿器、再生器及循环泵组成除湿系统，空气在除湿系统中与除湿溶液发生反应，空气中的水分被溶液吸收而除湿。除湿溶液吸收部分水分后由溶液循环泵送到再生器和由加热盘管加热的再生空气接触,溶液中的水分蒸发并伴随再生空气排出室外，而后再将浓度提高的溶液再由循环泵送入除湿器。

二、压轭变压器电磁特性及振动特性分析

随着超高压和远距离输电的发展，大型超高压变压器应用的越来越广泛。但是电力变压器的容量和尺寸由于铁路和公路的运输条件限制不能够无限增大。采用叠压上、下铁轭的方法来设计压轭结构变压器为降低变压器高度提供了新的思路。在压轭变压器的设计过程中保持变压器铁心截面积为一个恒定值，与此同时将上、下铁轭中的最大片宽减小以及最小片宽增大。虽然可以通过设计制造过程中压叠变压器的上、下铁轭来降低变压器高度来满足超高压、大容量变压器的运输条件，但是变压器铁心物理结构的变化必然会带来其电、磁、力、热性能的变化。同时由于变压器上、下铁轭的压叠导致上、下铁轭的磁通密度相对没有压轭的变压器会更为集中，相应的会影响变压器的绕组电流、空载损耗以及附加损耗的增大，甚至会产生变压器部分区域过热的现象。因此对这类结构变压器电磁性能的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

影响有限元仿真计算结果的因素很多，其中对计算模型进行合理剖分在计算中起着重要的作用，合理的剖分网格不但能够提高计算机的计算效率并且能够减小最后的计算误差。在有限元进行数值分析的过程中需要将求解区域剖分为细小单元。在传统二维仿真计算中，基本采用的是三角形和四边形结构，三维仿真计算一般采用四面体或者六面体结构。由于本文所计算的单相三柱压轭变压器的中心柱和轭部结构极为复杂，在建模时也将中心柱和轭部的叠压情况考虑到，因此要对中心柱和轭部的进行精度较高的剖分。本文所研究的变压器尺寸较大，为了提高计算机计算效率节省计算时间，在前文所建立的物理模型的基础上选取1/4模型设置合理的边界条件进行仿真计算。在不同区域进行的剖分网格大小不同，中心柱和轭部的剖分网格比较小而绕组部分的剖分网格较大。此外在中心柱和轭中，由于两层叠片间的宽度不同，叠片间的宽度差使得中心柱和轭部表面的网格更为精细，实现差异化剖分，方便仿真计算。

三、电力箱柜除湿系统总体设计

本文所述除湿系统主要是针对处于特殊环境下的电力箱柜内部湿度过大问题而设计的，采用除湿器设计和组网设计完成对电力箱柜内温湿度信息的采集、单片机进行逻辑判断、温湿度信息实时上传和远程控制的系统功能，完成对电力箱柜内湿度的控制，杜绝因为潮湿空气对箱柜内电气设备带来的安全隐患。除湿系统主体可分为电力箱柜温湿度信息采集传输、单片机对温湿度数据分析处理、除湿器工作状态控制和环境信息上传四个部分。

结束语

本文针对压轭结构，建立了四种不同铁心结构的变压器模型，采用场路耦合有限元分析方法，研究了变压器的磁场分布、绕组电流和铁心振动情况，为压轭变压器的设计生产提供了一定的计算依据。后一部分对电力箱柜内潮湿空气中的水分难以去除影响电气箱柜内电气设备的安全问题，设计了一套可实现远程实时监控、除湿器效率高、适应性强、安全稳定的新型除湿系统。

参考文献

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