大型电力变压器三维涡流场结构件损耗计算方法的研究

准确计算变压器结构件的杂散损耗从而避免局部过热,对于提高变压器运行的可靠性和保证电力系统的安全运行具有十分重要的意义。由于漏磁场和杂散损耗分布的不合理性而造成的局部损耗集中,是局部过热和运行故障的直接原因。在结构复杂的大型电力变压器三维漏磁场和结构件损耗的计算中,由于存在庞大的求解区域和小透入深度的矛盾,若要考虑叠片铁心复杂的电磁特性(非线性、各向异性等)和铁心叠片材料的不连续性,采用传统方法计算时计算规模过大,且计算误差不可接受。本文针对这一问题,研究了提高变压器结构件损耗的计算精度并减小计算规模的几种方法。 为了计及场量(磁通密度B和涡流密度J)的高次谐波,本文提出了一种时域分析方法,将解析解与数值解相结合,对叠片铁心区域做均匀化处理,并计算了包含非线性各向异性的叠片铁心的三维漏磁场及结构件损耗。该方法能够在保证工程精度的条件下减少计算规模,可应用于大型电力变压器三维漏磁场及其结构件损耗计算。 已在三维涡流场计算中广泛应用的复频域运算具有其省时和简单性,但理论上不适于求解非线性问题。为了保留其优点并提高计算的精度,本文对传统复频域计算做了改进,推导了在复频域下分别考虑不同材料的非线性各向同性和各向异性电磁特性的三维涡流场有限元离散化公式,其中离散化得出的非线性代数方程组应用复数牛顿-拉夫逊法求解,得到了满足工程精度的计算结果。 区域分解法是另一种减小复杂问题计算规模的方法。本文将重叠型区域分解法应用于复频域三维非线性涡流场有限元分析中,将求解区域分解为互相重叠、互相影响的子区域,不同的子区域可以单独剖分,应用不同的离散化方式和不同的力法求解,有效地减小了计算规模并降低了计算的复杂性。 为了验证所提出的计算方法和所编制的计算机程序的正确性,本文采用了小模型测试和实际变压器产品测试的检验方法。制作了TEAM问题21的补充模型,对其磁场和损耗分布进行了测试,并应用所提出的叠片铁心均匀化处理的时域分析方法对该模型进行了仿真计算。此外还对两台大型电力变压器产品做了实例计算和实验值对照。计算结果与实验结果的比较验证了本文研究成果的正确性和有效性。