干式移相变流变压器温度场仿真

干式移相变流变压器温度场仿真

李宁

中电电气（江苏）变压器制造有限公司

摘要：介绍了移相变流变压器的移相原理，基于有限元分析对干式移相变流变的高低压线圈进行温度场分析。本文通过对变压器的高压线圈和低压线圈平均温升的工程设计值与仿真值进行比较和温度分布说明，验证了干式移相变流变通过流固耦合算法建立的温升计算模型的合理性和可实施性。

关键词：干式；移相；变流变压器；温度场仿真

0 引言

为实现2030年“碳中和”和2060年“碳达峰”的目标，国家要求大力推动节能减排，深入打好污染防治攻坚战，加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系，特别强调钢铁、建材、石化化工等重点行业要开展绿色升级工程，通过采用高压变频调速技术，以达到节能降碳的目标。高压变频调速系统具有可以直接驱动高压电机的特点，典型应用是以节能为目的的风机调速和泵类调速。

国内应用的高压变频调速技术主要包括三个部分：干式变频移相变压器、功率模块(由IGBT组成)以及各种控制模块。干式移相变流变作为变频调速装置中的隔离电源，是核心元件，因此变压器的安全运行尤为重要。与常规变压器相比，在干式移相变流变运行过程中，以下三方面的原因会使线圈出现局部过热现象：（1）在干式变频移相变压器工作时，其下游连接的是IGBT功率柜，这个过程会在整个系统内生成许多谐波。这些谐波电流通过变压器的二次侧线圈时，会引起额外的损耗，从而增加变压器的整体损耗，并致使变压器线圈的温度上升。（2）干式移相变流变被单独安装在防护等级较高的外壳里，通风效果差，也会导致线圈温度升高。（3）近些年，高压变频调速系统的整体功率一直在提高，导致干式移相变流变的容量也在不断提升，而受到现场安装场所的限制，变压器柜体的尺寸增加有限，因此也导致大容量变压器的散热空间更小，发热问题更为突出。因此对干式移相变流变压器高低压线圈的热点温度场和平均温度进行仿真具有重要意义[1-3]。

1 移相变流变压器的移相原理

高压变频调速一般是通过将移相变流变压器二次侧的多个输出，分别与功率单元的多个模块叠加后再形成高压输出。因此变流变的二次侧线圈分为三组，从上至下依次排列，并且同组的线圈间存在着相位差。根据高压变频调速系统的功率和电压等级要求，整流脉波数可分为18脉波、24脉波、36脉波、48脉波、56脉波等，这里所说的脉波数，实际上是由干式移相变流变的二次侧输出级数决定的，其电气原理图如图1所示。

通过分析高压变频系统内部使用的48脉波移相变压器可以看出，干式变频移相变压器在该高压变频调速系统中扮演的角色。变压器高压线圈为10kV，低压线圈的移相角度分别有-3.75º、+3.75º、-11.25º、+11.25º、-18.75º、+18.75º，-26.25º、+26.25º，各移相角之间的角度相差7.5º，低压线圈采用延边三角形接法，此接法具有三倍频谐波的天然回路，每个线圈连接至一个功率模块。通过在一个完整的360度周期内将移相角设定为每次增加7.5度，我们能够获得48个整流脉冲（计算公式为（60/7.5）*6）。采用这种特定的移相方式，可以高效地消除低于47次的谐波（根据理论，能消除小于6n-1次的谐波，其中n代表模块的级数），这让输入电流的形态更加趋近于理想的正弦波形。结果是，总谐波电流的失真度被控制在3%以下，避免了对电网造成任何超出国家标准的谐波干扰，并实现有效的电压降低与隔离。在分配变压器低压端线圈时，属于同一相位组的三个线圈各自对应电动机的三个相位功率模块提供电力。这种布局确保了在电动机负载不均衡的情况下，各相位的电流依然能够保持基本一致，实现最佳的谐波中和效果。因此，在没有额外加装谐波滤波器的情况下，变频器仍能满足电力供应部门对输入电流谐波失真度的标准要求[4、5]。

图1 干式移相变流变电气原理图

2 变压器温升分析计算模型

2.1分析计算模型确定

变压器内的温度场是遍布三维空间的物理场。这是因为高低压线圈散热主要通过空气对流实现，而对流的有效区域厚度显著小于移相变压器的线圈间的绝缘距离。这就意味着线圈间的热量交换对彼此的影响较小。因此，可以将涉及三相的复杂问题简化为考虑单一相的情况，并且既然每相线圈在轴向上是对称的，就可以把原本需要在三维空间内考虑的温度场问题简化为二维轴对称的温度场分析问题来处理线圈相对空气的温度变化[6]。在变压器总体损耗不变的情况下，线圈相对于空气的温升会有一个确定的分布和数值，对于高低压线圈模型，当对线圈的线圈匝和匝间绝缘进行详细区分时，会产生大量的单元，导致离散方程组的维度极高，这样的计算强度大多数计算机难以承受。因此，需要根据线圈的类型采取不同的离散策略，即如果是层式绕组，就将整个绕组作为一个单一模型来处理；如果是饼式绕组，则将每个线饼视作一个独立的单元来建立模型。从而得到线圈相对空气的温升有限元模型。

变压器内部的气流散热过程同时遵循流体的质量、动量和能量三项守恒定律，因此求解热流场时所用的数学方程通常包括三个部分：质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。

2.2 流场边界条件

变压器温度场的分析属于流固耦合的对流传热问题，这意味着需要将固体中的热传导与流体的热对流这两个领域的问题联合考虑，采用一种综合性的解决策略。对于移相变流变的研究中，其负载损耗被当作热源，纳入到流场及温度场的模拟计算中，并且在设定变压器流场与温度场的模拟边界条件时，考虑了以下几点：①在导体及固体绝缘的外表面实施无滑移边界条件；②设定环境温度条件；③规定参考压力条件。

2.3仿真分析案例及结果对比

本节将对移相变流变采用有限元计算模型进行温度场仿真分析。干式移相变流变的容量为3200kVA，整流脉波数为24脉。高压侧电压等级为13.8kV，低压线圈的移相角度分别为-7.5º、+7.5º、-22.5º、+22.5º，低压线圈采用压饼式的绕线结构，内部设置高压线圈，而外围则布置低压线圈。在变压器柜体的上部配置风机以优化散热，此外，在高压与低压线圈之间放置绝缘筒，柜体适当位置放置隔板，起到导向散热的作用。

经过温度场分析可以得出，变压器的高压线圈和低压线圈的热点温升主要集中在线圈的上端部。高压线圈和低压线圈平均温升的仿真值分别为98.9 K、85.4K，而采用工程经验计算公式所得的高压线圈和低压线圈的设计值分别为97.7 K、84.6K。从高压线圈和低压线圈的平均温升来看，设计值与仿真值比较接近，并且仿真分析的方法可以得到高低压线圈的温度分布，而工程经验计算方法只能得到高低压线圈的平均温升。

3 不同容量干式移相变流变温度场仿真

为验证分析模型的合理性，对不同容量的干式移相变流变进行多次的温度场仿真分析，从中挑选有代表性的仿真分析温升数据与通过工程经验设计所得的温升数据进行比较，得到表1所示的对比表。

表1 线圈平均温升仿真值与设计值对比表

根据表格中的数据，可以观察到不同容量和电压级别的变压器在高低压线圈的工程设计经验值与仿真分析值之间有着较高的一致性，且误差范围均处于工程设计的可接受界限之内。此外，通过有限元分析还能进行绕组的温度分布计算。这一点不仅证明了利用有限元分析来预测变压器温度场的可行性，也显示了本研究建立的流体与固体耦合计算模型的正确性和实用性。

4 结束语

本文通过分析干式移相变流变的内部温度场特点，结合变压器高低压线圈的结构特点，基于流固耦合的有限元方法建立了温度场分析模型和分析步骤。并对不同容量不同电压等级的干式移相变流变进行仿真分析，得到线圈的温度分布和平均温升。最终，通过比较变压器高低压线圈平均温度上升的模拟值与实际工程设计经验值，证实基于流体与固体耦合技术构建的干式移相变流变压器计算模型是有效的。

参考文献：

[1]周凌. 多线圈移相整流变压器的设计研究[D].湖南大学,2007.

[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会公告[J]. 中国对外经济贸易文告,2008,41:3-75.

[3]苏小平. 油浸式变压器线圈热点温度计算模型及预测方法研究[D].重庆大学,2012.

[4]黄敬源. 多线圈移相干式整流变压器介绍和应用[J]. 科技信息,2011,17:553-554.

[5]张永耀，郭健，李宁．多线圈移相干式整流变压器优化设计及软件开发．机械与电子,2013,11:60-63

作者简介：

李宁（1976-），女，江苏南京人，中电电气（江苏）变压器制造有限公司研发中心执行总监。

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