电力变压器绕组涡流损耗及温升分析

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电力技术与管理

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电力变压器绕组涡流损耗及温升分析刘金凤 (保定天威保变电气股份有限公司，河北保定 071056)摘要：随着电力系统的发展，变压器容量也在逐步增大，随之而产生的问题就是变压器中绕组的涡流损耗问题。容量增大使得变压器漏磁场变大并不能再被忽略，漏磁场在变压器中的铁芯、绕组等导磁部件中引起的涡流损耗会导致局部结构件的温度升高，并可能危及变压器的正常运行。因此结合变压器漏磁场对变压器绕组的涡流损耗分析以及涡流损耗产生的温升的相关分析可以为变压器结构改进、减少损耗和提高运行可靠性提供理论依据。关键词：电力变压器；绕组；涡流损耗；分析中图分类号：TK112 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2014) 06-0032-01变压器作为电力系统中的核心部件，其性能一直受到广泛关注，现阶段，随着科技的进步和用电量的普遍上升，变压器的容量也在逐渐变大，同步凸显的一个问题就是变压器漏磁和绕组温升的问题。随着变压器容量的增大，漏磁场强度也在增加，并进一步增强变压器内部能量损耗从而增加产热，这个原因使得变压器内部的重要能量转换部件 --绕组温升问题越发严重，漏磁场引发的涡流损耗导致的变压器绕组温度升高，如果处理不当，很容易影响变压器及其绕组的热性能，甚至损坏变压器结构，因此必须予以重视。一、电力变压器漏磁场分析 (一)漏磁场的产生。当变压器某一绕组的电源接通时，会在铁芯中产生主磁通，主磁通起能量传递的作用，将电能传递给铁芯另一侧连接的绕组，这样就会在另一侧绕组中产生感应电动势，如果另一侧的绕组与负载接通，就会有电流产生，从而实现功率输出，而负载侧的电流同样会在变压器铁芯中产生磁场，这种磁场就叫做漏磁场。变压器的漏磁场根据其产生形式的不同分为两种，稳态漏磁场和暂态漏磁场，稳态漏磁成是变压器正常稳态运行时产生的漏磁场，而暂态漏磁场主要是指变压器由于启动合闸瞬间的涌流或者短路瞬间的短路电流产生的漏磁场。 (二)漏磁场的涡流损耗。当变压器导磁结构件处在漏磁场中时，漏磁场会在变压器结构件中感应出涡流，涡流在导体中形成闭合的回路，由于导体有电阻，进而会在电阻中产生热量。这种能量以热量形式散出，产生能量损耗。二、电力变压器绕组涡流损耗分

析 (一)漏磁通对绕组的影响。变压器的绕组结构常采用多根并联导线的形式，由于并联导线的不同部位漏磁场强度不同，会在并联导线中感应出大小不等的电势从而产生循环电流，这些能量最终以电流通过电阻产热放出，会导致变压器绕组温度升高。除这种产热形式的损耗之外，变压器的绕组因处于漏磁场中而产生涡流，涡流会在绕组导线中产生排挤效应，从而使得交变电流在绕组中通过时会产生沿截面非均匀分布的现象，导致导线电阻相比直流时增大，从而增加绕组导线内的电能损耗。 (二)变压器绕组中的涡流损耗的计算分析。当导线处于纵向漏磁通当中时，会在导线的截面处产生涡流，[1]这部分涡流的分布如图 1所示： dm3;G为导线重量，kg;Bx为磁密，kg;α为取的导体微元的厚度，mm。三、电力变压器绕组温升分析 (一)变压器绕组散热方式。变压器的散热方式主要有三种，对流、辐射、热传导，其中辐射主要是指热量从箱壁等结构向空气中扩散的过程，非绕组的主要散热方式。而绕组中热量最高的热点到绕组表面的热传递形式属于热传导的形式，绕组表面的热量扩散到冷却油中是靠对流的方式进行能量传递的，因此变压器的绕组散热方式主要有热传导和对流的方式。[3]其中热传导是在绕组内的热量传递形式，根本上讲热量没有散出绕组，而与冷却油有关的对流是绕组将热量传递给冷却油，为主要散热方式。 (二)变压器绕组温升的计算。根据热力学的相关定义，发热体对其周围介质的温度影响为指数式： (2) T=Kqα其中：T为发热体对周围介质的温升影响，单位℃;K为修正系数，可以根据散热的具体条件确定；q为发热体表面的单位热负荷值；单位 W/m2;α根据散热条件及相关因素确定的指数值。由此可以得出绕组结构的温升也近似为指数或者为包含有指数的复合计算公式，结合上面对绕组涡流损耗的计算分析，可以确定出绕组剖分单元的温度： (3)其中：τ为绕组剖分单元温度；pd为绕组直流损耗；pe为绕组各剖分单元的涡流损耗标幺值；peα为绕组涡流损耗标幺值；α为冷却系数；τα为绕组对油平均温升，℃;τy为油对空气平均温升，℃;τh环境温度，℃;kn为温升决定系数，由油对空气的平均温升和油面温升决定；四、结束语变压器绕组的涡流损耗会导致绕组温升，并增大变压器电能损耗，综合分析绕组的涡流损耗主要有两种形式，一种是影响绕组横切面的电流分布，增大绕组的交流电阻进而产生的附加损耗，另外一种是在绕组并联形式的结构中引起并联回路电流，从

而产生损耗。因此，可以通过变压器漏磁场分析并改善绕组并联结构，让并联的导线尽量处于大小一致的漏磁场中，减少并联回路电流。绕组的散热方式主要是热对流和热传导，应该从这两种方式着手，通过提高绕组的热传导性，改善变压器油箱冷却效果来提升绕组散热效果，减少绕组温升。参考文献：[1]王建民，单东雷，郭振华 .大型电力变压器绕组温度场的数值模拟研究[J].特别报道，2013(05):23-25,30.[2]林凌 .电力变压器绕组温度在线监测研究[J].电气安全，2014(01):73-76,85.[3]余国清，王玲 .电力变压漏磁场及绕组涡流损耗计算[J].电器制造，2013(02):39-43.32

图 1纵向漏磁通所产生的涡流在导线截面的分布假设涡流在导线截面均匀分布，据微元分析法，可以得到在这个导线截面范围内的简化涡流损耗计算公式： (1)其中：ρr为电阻系数，Ω mm2/m;r为导线密度，kg/

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