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消磁技术在核电厂大型电力变压器的分析与应用摘要：大型电力变压器在空载合闸时，由于剩磁的影响，可能使变压器铁芯过度饱和，将在一次侧绕组产生过大的励磁涌流，损害电力设备。
本论文分析了核电厂大型电力变压器铁芯剩磁产生的原因和铁芯剩磁的危害，并将直流消磁技术和伏秒消磁技术的消磁原理进行对比，经现场验证伏秒消磁技术优于传统的直流消磁技术。
关键字：变压器；剩磁；励磁涌流；伏秒消磁1.概述随着电力系统的发展，变压器电压等级越来越高，容量越来越大，铁芯剩磁的问题也越严重。
核电厂的大型电力变压器铁芯也普遍存在剩磁问题，其中主变压器（简称主变）剩磁对励磁涌流影响最为严重。
某核电厂主变电压等级500kV，容量1230MVA（单相410MVA），高压侧额定电流1340A，结构为三台单相变压器组合式，其在高压侧空载合闸时，铁芯的剩磁与合闸偏磁叠加可能使变压器铁芯的磁通密度过度饱和，并产生数倍于额定电流的励磁电流（称为励磁涌流），不仅可能出现差动保护误动作导致变压器跳闸现象，也可能因电流过大损坏大型电力变压器[1]。
为降低大型电力变压器空载合闸过程的励磁涌流，需降低变压器合闸前的铁芯剩磁。
本论文分析了大型电力变压器铁芯剩磁产生的原因、危害以及直流消磁和伏秒消磁方法的原理，并在某核电厂的备用主变和运行主变停役检修中进行两种不同消磁技术的优劣对比。
1.大型电力变压器铁芯剩磁产生的原因大型电力变压器铁芯剩磁产生的主要原因为磁滞现象，即被极化了的铁磁材料在外加磁场撤除后，磁畴的排列并不可能完全恢复到初始状态，对外显示磁性，这种磁感应强度B滞后磁场强度H变化的现象称为磁滞[2]。
在外加磁场H为0时的磁感应强度为剩余磁感应强度，记为B r，本论文简称为剩磁。
根据电力变压器绕组流过电流是否有方向性将变压器铁芯的外加磁场分为两种形式，一种为外加交流磁场，另一种为外加直流磁场。
外加交流磁场主要是在变压器正常运行时，变压器绕组流过交流电流，在变压器铁芯产生交变磁场；外加直流磁场主要是在变压器执行变压器绕组直流电阻试验时，变压器绕组流过直流电流，在变压器铁芯产生直流磁场。
2019.12 EPEM 103专业论文Professional papers因为二维场在现在计算中已不能很好地用于分析变压器的漏磁场性能，所以选用三维条件进行计算很有必要。
限于现在计算资源的限制，必须先对三维模型进行简化模拟，即在三维场下对单项变压器、三项变压器的短路情况进行计算，再进行漏磁场的分布计算，获得变压器的电感、电抗参数，才能分析结构件参数值的结果的正确性[1]。
本文主要研究分析150MVA 电力变压器和240MVA 电力变压器的主要阻抗参数，即电抗参数的计算方法。
1 三维漏磁场仿真模型下变压器的性能分析1.1 实验条件分析不同绕组间变压器的短路情况，结果显示，借助传统分析方法不能很好的达到变压器的设计要求，同时不同的绕阻短路情况也会影响漏磁场的分布变化。
本文选择的是数值分析中的有限元场路耦合方法进行电抗参数计算和漏磁场分析[2]，研究对象为一台双绕组变压器、一台三绕组变压器，分析两种不同变压器的复杂结构，并做简洁处理。
研究使用的是ANSYS/Maxwell 模拟仿真软件，只要利用该电磁软件建立三维漏磁场变压模型，根据仿真模型显示对变压器单元格进行分析，然后根据分析结果，分别计算得出不同绕组短路状态时的电磁能量值和绕组电压值，进而求得所对应的电抗值，并将所的结果与实验仿真数据进行对照[3]。
1.2 实验内容为实现电力变压器繁杂结构的优化和计算，需做如下假设：依照电力变压器中心对称结构的特性大型变压器漏磁场仿真计算研究南方电网楚雄供电局 康 勇 李起荣 沈 燚 张弄韬 雷雨田摘要：在ANSYS/Maxwll软件中对电力变压器建立三维仿真模型和耦合外电路激励，对变压器绕组进行短路电抗参数和电感参数设计计算分析，并验证了本文所提模型的有效性。
关键词：变压器、漏磁场、仿真计算和漏电磁场特性，求解漏电磁场和电力变压器阻抗参数间的相关性，进行的假设条件和简化步骤为：变压器结构上下对称，3D 计算模型取1/4变压器结构，箱体结构与单项双绕组中心左右相互对称，上下相互对称；不考虑变压器内不同因素使漏磁场发生变化的影响，如铁心内涡流因素、位移电流因素、绕组内环流因素、以及金属构件材料的磁滞特性因素；在忽略高次谐波的情况下，电磁场量的运作变化均呈现正弦关系，电磁场量的正弦关系影响绕组各安匝分区内的电力密度分布均匀分布；规定变压器中金属导线的电导率为常数值，规定变压器铁心、油箱都是非线性材料。
大型电力变压器漏磁场的ANSYS有限元分析
陈玉庆;蔡斌
【期刊名称】《电气技术》
【年(卷),期】2008(000)011
【摘要】首先,讨论了电力变压器中漏磁场的基本问题.然后,运用电磁场理论和有限元法,对其进行了系统的研究,分别建立了二维和三维漏磁场计算模型,准确计算了油箱中的漏磁场分布情况,给出了详细的分析方法,并得出有关结论.变压器容量越大,漏磁场也越强,油箱中损耗就不能忽略.如果不采取措施,油箱壁出现局部过热点能影响变压器性能.传统的计算方法是根据经验公式来估算,这就具有相当大的误差,于是更加准确的有限元法被引进到漏磁场计算中.
【总页数】4页(P31-34)
【作者】陈玉庆;蔡斌
【作者单位】曲阜师范大学电气信息与自动化学院,山东,日照,276826;曲阜师范大学电气信息与自动化学院,山东,日照,276826
【正文语种】中文
【中图分类】TM7
【相关文献】
1.大型电力变压器漏磁场的ANSYS有限元分析 [J], 陈玉庆;蔡斌
2.大型电力变压器短路工况下漏磁场分析 [J], 牛一博;刘文里;李祎春;白仕光;荣佳星
3.大型电力变压器漏磁场和杂散损耗的研究 [J], 李俊卿;田小静
4.基于有限元法的大型电力变压器不同分接下短路工况的漏磁场的智能计算 [J], 王雄博
5.基于有限元法的大型电力变压器不同分接下短路工况的漏磁场的智能计算 [J], 王雄博
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Journal of Electrical Engineering 电气工程, 2014, 2, 73-81Published Online December 2014 in Hans. /journal/jee/10.12677/jee.2014.24010Research on the Modeling of LeakageMagnetic Field and Short-Circuit Force ofPower Transformer’s Short Circuit FaultXiaowei Xu1, Jinglin Wang1, Guochao Qian1, Dexu Zou1, Bingyang Li2, Chunyan Zang2,Bing Luo3, Fuzeng Zhang31Institute of Power Scientific Research, China Southern Power Grid, Kunming2Institute of Electric and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan3National Engineering Laboratory for Ultra High Voltage Engineering Technology (Kunming, Guangzhou),GuangzhouEmail: 564644245@Received: Oct. 1st, 2014; revised: Oct. 17th, 2014; accepted: Oct. 31st, 2014Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractIn recent years, the short-circuit fault of power transformer occurred frequently and seriously af-fected the reliable operation of power grid. So it is necessary to analyze the short circuit perfor-mance of transformer windings in theory. This paper has taken a three-phase three limb trans-former of 220 kV for an example, and the 2-D transient axisymmetric electromagnetic field and 3-D electromagnetic field are both studied by ANSYS. The leakage magnetic field and the short- circuit force in each winding are both calculated and analyzed during three-phase short circuit.Then the distribution rules of them are concluded. By comparing the results of transformer winding’s disintegration test, the analysis results are verified. The research conclusion may pro-vide a reference to the analysis of the short-circuit fault of the power transformer.KeywordsTransformers, 2-D Axisymmetric, 3-D Model, Parametric, Short-Circuit Force电力变压器短路故障的漏磁场及短路力的建模研究徐肖伟1，王景林1，钱国超1，邹德旭1，李冰阳2，臧春艳2，罗兵3，张福增3电力变压器短路故障的漏磁场及短路力的建模研究1云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，昆明 2华中科技大学，电气与电子工程学院，武汉 3特高压工程技术(昆明、广州)国家工程实验室，广州 Email: 564644245@收稿日期：2014年10月1日；修回日期：2014年10月17日；录用日期：2014年10月31日摘 要近年来电力变压器短路故障频发，严重影响电网可靠运行，因此很有必要在理论上开展对电力变压器绕组的短路性能的研究。
1、电磁学的镜像法有平面镜像法和球面镜镜像法。
2、镜像法的核心思想和核心方法是将感应电荷与原电场（原电荷）的作用等效为镜像电荷与原电场（原电荷）的作用。
3、使用镜像法的难点在于确定镜像电荷的电量多少、电荷位置等。
对于平面镜来说，确定起来较为简单，好似平面镜成像。
4、镜像法的使用条件是“镜”电势为零。
如果不为零，就要通过添加或减少电荷使得“镜”电势为零再使用。
详细的情况可以查看普通物理《电磁学》中文名称：镜像法英文名称：method of image 定义：用物体或基本流动(如旋涡、偶极子等)的镜像来代替固体边界或射流边界影响的一种处理方法。
一种计算静电场或稳定电磁场的方法。
W.汤姆孙(即开尔文)于1848年提出,最先用于计算一定形状导体面附近的电荷所产生的静电场，叫做电像法；后来发展到可以计算某些稳定电磁场，现在称做镜像法。
在电荷的附近出现导体面（或介质分界面）时，这些面对电场有影响。
镜像法就是利用已经熟悉的静电学知识，通过在这些面的另一侧适当位置，设置适当量的假想电荷（称为电荷的像或像电荷），等效地代替实际导体上的感应电荷或电介质界面上的极化电荷，以保证场的边界条件得到满足。
根据静电唯一性定理，在求解区域中，源电荷与像电荷产生的电场就是实际存在的电场。
镜像法常常很简便地得到场的解析解，但只有边界面几何形状很简单的情形才可能成功地设置电像，故不是普遍适用的方法。
目前，镜像法已不限于静电学范围，它已应用于计算稳恒磁场，稳恒电流场和天线的辐射场等不少重要的电磁场问题。
现用简单的例子阐明镜像法。
如图1a所示,大地上方h米处有点电荷q,因为地表感应的面电荷密度N未知，所以不能用积分方法求解电场的V和E。
但是，由于已经知道,图1b为相距2h的正负点电荷在无限空间产生的静电场，场中通过电荷联线中点且与联线垂直的无穷平面为一零等势面，对比图1a与图1b,它们上部静电场的边界条件、点电荷q的位置及媒质的介电常数ε都相同，根据唯一性定理,图1 b静电场的上半部即图1c，就是所求大地上方的静电场。
研究牵引变压器漏磁场的损失Zeng Linsuo, Xing Wei沈阳理工大学、沈阳、辽宁,2011年,中国摘要——随着电气化铁路的快速发展,安全操作供电系统直接关系到其运行的可靠性。
电气化铁路的主要设备牵引供电系统,牵引变压器的可靠性直接相关整个供电系统的安全。
对牵引变压器、负序电流等主要因素进行了研究。
变压器切换的过程中,电磁问题尤为突出。
本文旨在研究特殊的瞬态响应过程牵引变压器结构。
主要的研究内容为分析了磁场电路耦合方法中牵引变压器的磁场分布。
此外,在这篇文章中，介绍了当前牵引变压器核心领域和其他结构部分将研究与有限元法(FEM)。
在此研究基础上,本文也研究了核心的损失分布和结构部件对电磁设计以及变压器经济运行的重要意义。
1. 概述变压器的漏磁场与变压器的电磁设计是密切相关，更强的泄漏磁场会产生越大变压器的容量。
额外的漏磁场和当地的损失过热的问题是非常严重的，它对于变压器的操作有一个稳定的负面影响。
如果变压器设计不当,它会引起变压器局部过热并且破坏热性能,最终导致绝缘材料热老化和击穿。
一般来说,变压器的工作状态可以分为稳态和瞬态。
稳定的运行状态指的是对称和不对称的正常运行操作。
瞬态操作是指变压器无载切换或短期突然变化。
类似地,漏磁场分为稳态漏磁场和瞬态漏磁场。
当电力系统中为短电路时,漏磁场的暂态短路电流可能产生巨大的机械力。
这种机械力可能对于绝缘材料和机械结构产生致命的威胁。
上述两个方面的漏磁场稳态和瞬态电流的综合分析就是为了减少漏磁场的影响。
在本文中,牵引变压器空载瞬态过程将被研究。
目前,磁场和功率的损失是深入分析的重点,许多人都提出过有效的方法来减少损失。
然而,机车牵引变压器由于其特殊结构，它的却损失很少被研究。
牵引负荷和频繁的外部短路的特性会使牵引变压器的彻底改变。
机车牵引变压器是牵引变电所的核心,所以牵引变压器的磁场和涡流损耗在电磁设计和变压器的稳定运行中起着非常重要的作用。
用三维计算变压器涡流损耗QFP-10160/25有限元方法来牵引变压器。
基于镜像分析的变压器故障定位技术研究一、文献综述变压器是电力系统中不可缺少的设备，故障定位是保证其运行稳定和可靠的前提条件之一。
传统的变压器故障诊断方法依赖于人工巡检和试验，效率低下且准确度不高。
而基于镜像分析的故障定位技术，可以大大提高故障的检测效率和精度。
因此，许多学者对该技术进行了广泛研究。
二、镜像分析原理镜像分析是一种去噪方法，其基本原理是将目标图像与一组称为“字典”的基础图像相互匹配，并选择最接近目标图像的基础图像进行修正。
这种方法不仅可以去掉图像中的噪声，还可以识别并分离出图像中的较大特征。
在变压器的故障定位中，我们可以将其内部结构看作一个复杂的图像，镜像分析的原理就可以被应用于该图像的处理中。
通过对变压器的故障镜像进行分析处理，识别出其中的特征，可以有效地确定变压器中的故障位置。
三、基于镜像分析的变压器故障定位算法针对变压器故障的不同类型，可采用不同的镜像分析算法进行故障定位。
例如，当发生短路故障时，会在变压器中产生异常电流，并且会出现明显的火花。
我们可以通过拍摄变压器内部的图像，利用镜像分析技术，从中分离出这些特征，识别出异常电流和火花的位置，即可准确定位故障发生的位置。
四、基于镜像分析的变压器故障定位技术在实际应用中的优势传统的变压器故障诊断方法，需要人工巡检和试验，操作繁琐且准确度有限。
而基于镜像分析的故障定位技术则可以在不需要人工干预的情况下，实现对变压器内部的故障定位。
这种方法不仅可以提高故障的检测效率和精度，而且可以实现对变压器的远程监控，降低故障排除的成本。
五、结论基于镜像分析的变压器故障定位技术是一种具有极高应用价值的故障诊断方法。
该技术通过对变压器中异常图像的分离和特征的识别，准确地定位故障的位置。
在实际应用中，该技术具有操作简单、准确度高等优势，可以实现对变压器的自动监控和长期跟踪，有望成为变压器故障诊断的新趋势。
第9卷 第2期2005年3月电 机 与 控 制 学 报EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROLVol 19No 12Mar .2005用镜像法计算大型电力变压器漏磁场的研究杨平, 刘文里(哈尔滨理工大学电气与电子学院,黑龙江哈尔滨150040)摘 要:大型电力变压器漏电抗及电磁力的计算实际上就是变压器漏磁场的计算,采用镜像电流法对变压器铁心窗中的漏磁场进行了计算,给出了场点处磁感应强度与最高镜像电流次数奇偶性的关系,用最高镜像次数相邻的镜像电流及实际电流算得的场点处磁感应强度的平均值近似场点处磁场感应强度的实际值。
用此方法计算变压器的漏磁场,在编程及计算工作量相对较小的情况下,可获得具有很高精度的磁感应强度。
关键词:变压器漏磁场计算;镜像法;电磁场计算中图分类号:T M153文献标识码:A文章编号:1007-449X (2005)01-0166-05The research on leakage magneti c fi eld of l argepower transfor mer by i m age currentY ANG Ping, L I U W en -li(College of Electrical &Electr onic Engineering,Harbin University of Science and Technol ogy,Harbin 150040,China )Abstract:The calculati on of leakage reactance and magnetic forces is the calculati on of leakage magnetic field for transf or mer .The leakage magnetic field in transfor mer core aperture was calculated by i m age cur 2rent .The relati onshi p bet w een magnetic inducti on and parity of i m age current was given .The magnetic inducti on was app r oxi m ated by the average value of the t w o magnetic inducti ons in which one is p r oduced by actual currents and all the i m age currents the highest order of which is M and another is p r oduced by actual currents and all the i m age currents the highest order of which is M +1.By using the method t o cal 2culate leakage magnetic field,it takes shorter ti m e for p r ogra mm ing and calculating and has more accu 2rate results .Key words:the calculati on of transfor mer leakage magnetic filed;i m age current;the calculati on of elec 2tr omagnetic filed .收稿日期:2004-08-31;修订日期:2005-01-08作者简介:杨 平(1956-),男,副教授,研究方向为电磁场理论及应用;刘文里(1956-),男,教授,主要从事变压器理论研究与结构设计。
1 引 言大型电力变压器漏电抗及短路电磁力的计算一直是变压器设计者及从事变压器研究的工作者所关注的问题。
这些问题的解决实质上可归结为变压器漏磁场的计算,漏磁场计算的问题解决了,漏电抗及短路电磁力的计算问题也就解决了。
为了获得变压器较准确的漏磁场,目前较多采用的方法是有限元法。
本文用镜像法研究了大型电力变压器的漏磁场,得到了一种用较少计算量获得高准确度漏磁场的新方法。
本文作者在文献[1,2]中研究了用镜像电流法计算电力变压器铁心窗中的漏磁场及变压器的漏电抗。
对于计算变压器的漏磁场而言,镜像法和有限元法相比方法比较简单,而且在计算量相同的条件下前者的精度要比后者的精度好得多。
本文是在作者前面研究工作的基础上,对用镜像法计算变压器漏磁场进行的进一步研究,给出了漏磁感应强度与镜像电流次数之间的关系、用镜像法以少量的计算获得较准确结果的方法以及如何确定漏磁感应强度准确值的范围。
2 用镜像法计算变压器漏磁场的基本思想和公式211 用镜像法计算变压器漏磁场的基本思想基本假定:(1)将变压器的漏磁场作为二维磁场;(2)不考虑除铁心外其他铁磁材料对场的影响;(3)忽略激磁电流,即认为各相原、副线圈的总安匝数平衡;(4)铁心的磁导率为无限大;(5)电流在导体的横截面内均匀分布,即不考虑导体中的涡流效应。
在基本假定下,变压器的一个铁心窗可等效为均匀铁磁材料中开有一个截面为矩形的孔,矩形截面的载流原、副线圈位于其中,如图1所示,图中两线圈的安匝应当平衡。
为了便于研究,暂将原、副线圈看成是两个具有矩形截面安匝平衡的载流导体。
根据电磁场理论,矩形孔(也即变压器的铁心窗)中的磁场应为其中的自由电流和孔的边界上出现的磁化电流共同在铁心窗中产生的磁场,而磁化电流对铁心窗中磁场的影响又可以用实体电流的镜像电流等效[3～5]。
由于铁心窗的边界为矩形,镜像电流会来回反射,所以此处的镜像电流为无限多组。
铁心窗内的磁场就是实际载流导体和这无限多组镜像电流共同在其中产生的磁场。
这里称实际载流导体形成的镜像电流为一次镜像电流,称一次镜像电流形成的镜像电流为二次镜像电流,二次镜像电流的镜像电流为三次镜像电流…。
实际电流及其镜像电流如图2所示。
212 磁场计算公式变压器漏磁场的计算归结为图2无限多组矩形载流导体在场域中产生的磁场。
假定直角坐标z 轴的方向穿出纸面,x 、y 轴的方向和z 轴成右手螺旋关系,所有导体截面的边和坐标轴平行或垂直,第n 根导体中电流的密度为J ・n ,则窗口中任意一点(x,y )处的相量磁位为[3]A ・(x,y )=-∑∞n =1J ・n∑4k =1(-1)k(x -x nk )(y -y nk )× ln [(x -x nk )2+(y -y nk )2]+(x -x nk )2× arctan y -y nk x -x nk +(y -y nk )2arctan x -x nk y -y nk× 10-7+C(1)式中x nk 和y nk 分别是第n 个载流导体的第k 个顶点的x 和y 坐标,C 为积分常数。
令A ・(0,0)=0,则A ・(x,y )=-∑∞n =1J ・n∑4k =1(-1)k(x -x nk )(y -y nk )× ln [(x -x nk )2+(y -y nk )2]+(x -x nk )2× arctan y -y nk x -x nk +(y -y nk )2arctan x -x nk y -y nk- x nk y nk ln (x 2nk +y 2nk )-x 2nk arctan y nk x nk -y 2nk arctanx nky nk×10-7(2)由・= ×・得 B ・x =-∑∞n =1J ・n∑4k =1(-1)k(x -x nk )× ln [(x -x nk )2+(y -y nk )2]+(x -x nk )+ 2(y -y nk )arctan x -x nk y -y nk×10-7(3)B ・y =∑∞n =1J ・n∑4k =1(-1)k(y -y nk )×761第2期用镜像法计算大型电力变压器漏磁场的研究 ln [(x -x nk )2+(y -y nk )2]+(y -y nk )+ 2(x -x nk )arctan y -y nk x -x nk×10-7(4)上两式中,B ・x 和B ・y 分别是x 、y 处磁感应强度相量的x 和y 分量,其余符号的意义与式(1)中的相同。
3 磁感应强度和镜像电流次数之间的关系 圈变压器的模型。
设图中的a =011m ,b =018m ,c =014m ,J ・1=-J ・2=105A /m 2。
用于计算磁感应强度的式(3)、式(4)都有无限多项,只有严格地按它们计算才可能得到准确解答,当然实际计算时不可能完整地完成式(3)、式(4)的计算工作,这就是说要想得到准确的解答也是不可能的。
由于变压器铁心窗中线圈的安匝平衡,每一组镜像电流的安匝也平衡,因此随着镜像电流远离场点,磁感应强度将迅速衰减。
镜像电流组的次数越高,它就越远离场域,所以当我们不需要得到准确解答,做近似计算时,式(3)和式(4)可改写为 B ・xc =-∑mn =1J ・n ∑4k =1(-1)k(x -x nk )ln [(x - x nk )2+(y -y nk )2]+(x -x nk )+2(y - y nk )arctan x -x nk y -y nk×10-7(5) B ・yc =∑mn =1J ・n ∑4k =1(-1)k(y -y nk )ln [(x - x nk )2+(y -y nk )2]+(y -y nk )+2(x - x nk )arctan y -y nk x -x nk×10-7(6)现在的问题是,当考虑部分镜像电流后,所得到的结果到底有多大的误差?另外,能否用比较少的时间在常用的计算机上得到理想的———也就是较高精度的计算结果呢?由于图3中磁场的对称性,只需研究其第一象限部分。
将场域中第一象限的部分剖分成6×9个大小相等的长方形网格,计算其70个节点上的磁感应强度。
这里选取1(0,0)、2(016,0)、3(011,018)、4(013,014)、5(016,019)五个具有代表性的点如图3所示,研究磁感应强度和计算它们时所取最高镜像电流组次数m 的关系。
m 从0到10取值,用(5)、(6)两式算得1、2、3、4、5五点的磁感应强度见表1。
图4、图5分别是1、2两点处磁感应强度的轴向分量B yc 和最高镜像电流次数m 的关系,图6、图7、图8分别是3、4、5点处磁感应强度的径向分量B xc 、轴向分量B yc 和最高镜像电流次数m 的关系,此处m 从1到40取值。
