毕业设计-谐波屏蔽电力变压器短路阻抗设计.doc

hunan university毕 业 设 计论文题目谐波屏蔽电力变压器短路阻抗设计学生姓名袁 歆学生学号20090710128专业班级电气工程及其自动化0901班学院名称电气与信息工程学院指导老师罗 隆 福学院院长王 耀 南2013年5月25日 湖南大学毕业设计 第 iii 页谐波屏蔽电力变压器短路阻抗设计摘 要论文课题源自于湖南省电力公司220kv冷江西变电工程180mva三相四绕组谐波屏蔽电力变压器的实际科研项目，主要任务是研究感应滤波技术在电力变压器中的应用，设计出可在实际电力系统中使用的谐波屏蔽电力变压器。论文简要介绍了目前电力系统中谐波的产生和主要治理手段以及感应滤波技术的原理与意义，阐述了在电力变压器中应用感应滤波技术的必要性及可行性。论文重点介绍了变压器短路阻抗的计算方法，给出了磁路法、能量法和利用ansoft进行有限元分析计算的方法，着重分析了利用ansoft软件对谐波屏蔽电力变压器短路阻抗设计方法并给出最终的分析计算结果。最后，对利用磁路法，能量法的阻抗计算结果进行了比较总结，表明了有限元法的正确性。关键词：谐波屏蔽，电力变压器，短路阻抗，有限元法 short-circuit impedance calculation of the harmonic isolation power transformerabstractthe task of this paper comes from the research of 220kv leng jiang xi substation project ,which harmonic isolation power transformer is 180mva and now is studied by hunan electric power company. the main task of this paper is studying the application of induction filter on power transformer and designing power transformer which can be used in practical application .this paper briefly illustrates the harmonic generation and the main instruments of governance in electric power systems, showing the principle of the inductive filtering technology and the necessity of the harmonic isolation power transformer filter.the method of short-circuit impedance calculation is talked about in this paper. this paper also includes circuit method , energy method and fem to calculate the short-circuit impedance. focus on analysis of the short-circuit impedance calculation by using ansoft, comparing with circuit method , energy method in the end.the results by different ways are nearly the same ,which can ensure the correctness of the result by fem.keywords: harmonic isolation; power transformer; short circuit impedance; finite element method目 录第一章 绪论11.1 谐波屏蔽电力变压器项目简介11.2 电网谐波的产生11.3 电网谐波的主要危害11.4 谐波的治理21.5 有源电力滤波器与传统无源电力滤波器的比较21.6 感应滤波技术31.7 该项目使用感应滤波技术的必要性31.8 论文研究主要贡献4第二章 谐波屏蔽电力变压器设计52.1 常规变压器的设计要求及参数52.1.1 环境条件参数52.1.2 系统条件52.1.3 技术参数和性能要求62.2 谐波屏蔽变压器设计主要技术难点72.2.1 阻抗设计难点72.2.2 短路校核难点82.3 设计方法及步骤82.3.1 谐波屏蔽电力变压器设计步骤82.3.2 铁心直径的估算及铁心截面92.4 谐波屏蔽电力变压器外形结构及尺寸112.5 谐波屏蔽电力变压器阻抗计算112.5.1 磁路法112.5.2 能量法14第三章 利用ansoft进行变压器短路电抗的有限元设计173.1 利用ansoft进行有限元设计173.1.1 有限元方法173.1.2 ansoft 软件介绍173.2 ansoft进行谐波屏蔽电力变压器阻抗设计173.2.1 ansoft maxwell 3d模型的绘制173.2.2 模型材料的添加183.2.3 边界条件的设置203.2.4 激励源的设置213.2.5 剖分设置213.2.6 求解器的设置22第四章 利用ansoft进行有限元分析计算结果224.1 谐波屏蔽电力变压器绕组间漏磁能量原始计算数据234.2 结果汇总分析254.2.1 变压器基本参数254.2.2 变压器电抗基准值的计算254.2.3 电感及短路电抗的计算254.2.4 谐波屏蔽电力变压器计算结果汇总264.2.5 设计误差及结果分析264.2.6 与磁路法计算结果的对比分析27结 论28致 谢29参考文献30第 30 页 湖南大学毕业设计 第一章 绪论1.1 谐波屏蔽电力变压器项目简介该项目是感应滤波技术在大型电力变压器中的实际应用，该变压器为湖南省电力公司即将设在湖南省娄底市冷江西220kv变电站180mva三相四绕组电力变压器，设计出的变压器每相将具有低压35kv、谐波屏蔽35kv、中压110kv、高压220kv四个绕组，谐波屏蔽绕组将能一次性阻止35kv及110kv侧的谐波流向220kv侧电网，从而保证电网的电能质量在要求范围。该项目的设计主要包括谐波屏蔽电力变压器的设计、滤波器的设计、和变压器的短路计算分析。1.2 电网谐波的产生很早以前，人们发现在向某类变流器两端加标准正弦波的电压时，产生的电流并非像在电阻、电感、电容两端加正弦电压时呈现的标准正弦波形。之后，应用傅里叶分解将这种不标准的波形分解为若干正弦波的叠加，把分解出的波形分为基波和谐波，和所加电压频率一致的波形叫做基波，其余的的叫做谐波。目前，电力电子器件及其技术的大规模应用、变流器的使用、非线性负荷的不断增多，不可避免地使电网中谐波污染的现象越来越严重。电力系统中某些设备的非线性特性，使得各种类型的高次谐波窜入电网，对回路中的各类用电设备十分不利，铜耗铁损随之加大，噪声问题、震动问题也不断凸显。随着时间推移，有效消除谐波带来的影响引发了人们持续关注。目前电网的谐波主要来源于以下几方面：1.变压器、电抗器铁心的磁饱和特性。2.可控硅整流电源、变频器、大容量电力晶闸管可控开关等由电力电子原件组成的设备。3.发电机制造工艺引起的电源质量不高，使分布在电枢表面的磁感应强度不是标准的正弦波，感应电动势也就不是标准的正弦电动势。4.有强烈电弧产生的设备：例如炼钢感应电弧炉、电焊机、气体放电灯，由于可使电流出现大幅脉冲导致波形畸变。5.一些生活中常用低压非线性电气设备产生谐波：微波炉、变频冰箱、空调、图像显示设备、电子设备充电器等。1.3 电网谐波的主要危害谐波对电力系统的危害有如下几个方面。电网中谐波的存在，线路中设备附加损耗的大大增加使其发热严重，设备利用效率大打折扣。谐波中的高频电流使设备中导体的集肤效应加强，导体对高频电流的电阻增大是电力谐波引起设备利用效率降低的主要原因15。高频谐波电流流过电容器时，由x=1/jc可知，高频谐波在电容器上产生的阻抗很小，这就会导致电容器通过较大的电流，发热严重，直接导致绝缘老化加剧。此外，由谐波引发的机械振动不仅会产生噪声，还会使机械的使用寿命缩短。当电力谐波在系统中引起串、并联谐振时，发热损耗会大大增加，放大后的谐波还会使互感器损毁。谐波还会使电力系统继电保护不动作或误动作。谐波辐射出的电磁场会干扰通讯设备的正常工作。谐波可以使电动机和变压器的铜耗和铁损增加，有实验表明，电动机在承受负序电压超过2%时，出现的电机转轴扭曲震动会使机械部件产生疲劳循环。1.4 谐波的治理首先要从源头上遏制谐波电流，电力监管部门要对厂商生产的电力设备进行监测，电气设备发出的谐波要低于国家要求的标准值才能投放市场。其次是加装电力滤波器。现在主流的电力滤波器有两种，一种是传统的无源滤波器，又叫lc滤波器。其原理是利用电感电容的串并联组合，对需要滤除谐波的次数进行调谐，构成只能使谐波电流大量通过的低阻旁路，可一次性滤除电路中的主要谐波。由于其装配工艺简单，工程造价低，运行维护费用低以及较高的运行可靠性，至今仍然是谐波治理的主要方式之一16。目前另一种主要的滤波器是有源电力滤波器apf 即active power filter 。有源电力滤波器的原理是通过电力电子器件以及控制芯片准确检出负载谐波并提供完全相同的补偿电流，补偿后的电流波形几乎为标准的正弦波。1.5 有源电力滤波器与传统无源电力滤波器的比较系统阻抗变化对有源电力滤波器几乎没有任何影响，而对于无源滤波器，阻抗的变化使其谐波放大和共振的风险大大增加。无源滤波器制造工艺简单，利用电路中最基本的电容和电感原件，和有源电力滤波器大量贵重精密的电力电子器件和控制芯片比起来可以节省大量成本。无源滤波器滤波效果会在系统频率变化时谐振点发生偏移，电力系统频率是随负载变化小范围变化的，所以无源滤波的滤波效果与负载有关。而有源电力滤波器则均不受此影响5。有源电力滤波器目前所能达到的最大单套容量为100kva左右，无源滤波在容量上没有限制，并且有源电力滤波器适用最高的电网电压要远远低于无源电力滤波器。无源滤波不受硬件条件限制，广泛应用于石油、电解、冶炼铸造、煤矿、化工、船舶工业、汽车、新能源等行业；有源滤波器由于硬件耐受电压等方面局限，目前在大容量高电压场合无法使用，只适合用于通信、小型企业等用电功率小且谐波频率较高的单位。1.6 感应滤波技术与现有的无源滤波和有源滤波不同，感应滤波是建立在三绕组变压器等效电路的基础上，把其中一绕组作为感应滤波绕组，通过调整绕组间距等参数使得感应滤波绕组的等值漏感等于或近似等于零，且交流电阻越小越好（由三绕组变压器公式可保证此条件满足），然后在感应滤波绕组加滤波支路进行给定次数谐波的调谐。其实质是利用绕组磁场的内部耦合在谐波频率下的安匝平衡将谐波屏蔽在二次侧，使谐波无法对一次侧电力系统造成危害和污染3。图1.1三绕组变压器等值电路及阻抗计算公式1.7 该项目使用感应滤波技术的必要性首先，根据变压器的容量180000kva和最高电压等级220kv可以直接排除利用有源电力滤波器进行滤波。其次，若要利用传统的无源滤波，需分别在110kv侧，35kv侧分别加装lc滤波支路进行滤波，相对于感应滤波只需在感应滤波绕组处加装滤波支路而言设备体积，成本都大大增加。另外从谐波滤除效果上看，传统无源滤波可滤除60%左右的谐波，而感应滤波技术可使谐波滤除达90%以上。所以，本项目通过改进变压器的设计，加装感应滤波绕组和感应滤波支路使得中低压侧谐波得以一次性的得到抑制和消除对于减小体积，节约成本是十分有效和必要的；感应滤波的谐波滤除效率高，为提高谐波治理标准提供了技术保障。1.8 论文研究主要贡献本文给出了180000kva四绕组变压器的结构与运行原理，设计要求和设计难点，介绍了手算短路阻抗的两种计算方法，利用有限元法对该变压器的短路阻抗进行设计和计算。重点介绍了利用电磁场有限元仿真软件ansoft完成了对180000kva变压器的短路阻抗设计。 第二章 谐波屏蔽电力变压器设计2.1 常规变压器的设计要求及参数2.1.1 环境条件参数表2.1 环境条件参数表海拔高度（m）（不超过）1000环境温度和冷却介质温度（）最高气温+40最低气温户外25户内最热月平均温度+35最高年平均温度+25水冷却器入水口的冷却水最高温度耐地震能力地面水平加速度（m/s2）2.0正弦共振三个周期，安全系数1.67以上风速（m/s）离地面高10m处，维持10min的平均最大风速 35 m/s 月平均最高相对湿度（%）（25下）90日照强度（w/cm2）0.1覆冰厚度（mm）20污秽等级iii2.1.2 系统条件额定频率： 50 hz。最高运行电压： 252 kv。与其他设备连接方式：软导线、硬母线。中性点接地方式： 通过隔离开关直接接地 。系统短路电流：高压侧 50 ka，中压侧 31.5 ka，低压侧 25 ka。2.1.3 技术参数和性能要求表2.2 技术参数响应表序号及名称项 目要求值1. *额定值变压器型式或型号卖方提供a. 额定电压（kv）高压绕组230中压绕组121低压绕组38.5平衡绕组b. 额定频率（hz）50c. 额定容量（mva）高压绕组180中压绕组180低压绕组90平衡绕组d. 相数3e. 调压方式有载f. 调压位置高压侧中性点g. 调压范围81.25%h. 中性点接地方式直接接地(或不直接接地)i. 主分接的短路阻抗和允许允许 偏差（全容量下）短路阻抗（%）允许偏差（%）高压中压145高压低压2410中压低压87.5j. 冷却方式onank. 联结组标号ynyn0d112. *绝缘水平a. 雷电全波冲击电压（kv，峰值）高压线端950中压线端480低压线端200高压中性点端子不直接接地：400中压中性点端子325b. 雷电截波冲击电压（kv，峰值）高压线端1050中压线端530低压线端220c. 操作冲击电压（kv，峰值）高压线端（对地）750d. 短时工频耐受电压 （kv，方均根值）高压线端395中压线端200低压线端85平衡绕组端子高压中性点端子不直接接地：200中压中性点端子1403.温升限值（k）*顶层油55(on)*绕组（平均）65油箱、铁心及金属结构件表面75绕组热点782.2 谐波屏蔽变压器设计主要技术难点2.2.1 阻抗设计难点谐波屏蔽变压器需要在上述常规变压器中加装感应滤波绕组，主要设计难点在于变压器的短路阻抗设计。其一，变压器要满足感应滤波条件，合理调节绕组高度与绕组间距，使得变压器的阻抗满足感应滤波要求。感应滤波是建立在三绕组变压器的基础之上，使得三个绕组在滤波绕组处的合成漏抗趋于零。该变压器本身就具有高中低压220kv/110kv/35kv三个绕组线圈，加上滤波绕组之后变为四个绕组，如何才能满足感应滤波条件？由于我们想通过滤波绕组一次性屏蔽谐波从35kv、110kv侧传到220kv侧，我们分别使低压-滤波-高压绕组和中压-滤波-高压绕组合成漏抗都尽可能地趋于零，这样就保证了感应滤波条件的满足。其二，由于设计出的该谐波屏蔽变压器要与变电所之前的220kv/110kv/35kv变压器220kv/110kv侧并联，我们还要使得设计出的变压器与所并联的变压器满足变压器的并联运行条件，即现变压器要与原变压器一、二次侧额定电压对应相等，连接组号对应相同，短路阻抗标幺值相等。变压器的一二次侧额定对应电压与连接组号相同都已经满足，短路阻抗的标幺值相等是设计的关键。综上所述，该四绕组变压器的阻抗设计须结合感应滤波应满足的在滤波绕组处的合成漏抗趋于零的条件与变压器并联运行应满足的短路阻抗标幺值相等的条件综合考虑并进行设计。2.2.2 短路校核难点该变压器的第二大技术难点在于短路状态下使保护正确动作的问题。由于之前的电力变压器没有过四绕组保护设计的先例，所以，该变压器的保护设计必须考虑该变压器各绕组断口出现短路的情况保护是否能正确断开，校验短路电流是否大于断路器开断电流，如果大于断路器最大开端电流则考虑加装限流电抗器或重新进行变压器绕组设计。2.3 设计方法及步骤2.3.1 谐波屏蔽电力变压器设计步骤一、决定变压器的基本变量每相原边匝数n、铁心有效截面系数k、每极铁心最大磁密bm、铁心柱直径d、线负荷a、绕组轴向高度h等。二、估算铁心直径决定绕组匝数。三、绕组设计、主纵绝缘确定四、试算短路阻抗压降，若不合要求，则另选导线，重新进行绕组设计、主纵绝缘确定，重新选择导线之进行绕组设计时候若还不符合要求要重新选择铁心直径，直到符合要求进行下一步设计。五、绕组数据计算，计算电阻损耗，若不合要求，则另选导线，重新进行绕组设计、主纵绝缘确定，重新选择导线之进行绕组设计时候若还不符合要求要重新选择铁心直径，直到符合要求进行下一步设计。六、铁心数据计算，空载性能计算。若不合要求要另选铁心直径，回至第二步估算铁心直径决定绕组匝数。七、决定油箱尺寸八、附加损耗及短路性能计算九、温升计算，若不合要求，调整散热装置十、重量计算十一、绘总装图及铁心图2.3.2 铁心直径的估算及铁心截面估算铁心直径的经验公式如下 sz为三相变压器的每铁心柱容量，u为每相电压，即绕组感应电动势，i为每相电流，f电流频率50hz，w为每相原边匝数，et为每匝电势，为磁通，且 bm为铁心磁密最大值，kfe为叠压系数，d为铁心直径阻抗压降 xk原边副边绕组总漏抗 h两绕组平均电抗高度，且 hk1，hk2为两绕组平均电抗高度 漏磁演化宽度： r1、r2内外绕组平均半径 ，r12 漏磁空道平均半径 ， a1、a2 内外绕组幅向宽度（除二边绝缘），a12漏磁空道。洛氏系数，由于推导电抗公式使磁力线在铁心端部发生弯曲并变得不再均匀，而计算电抗时假定的磁场为理想磁场，此因素对电抗的影响用洛氏系数来修正。k附加电抗系数 为考虑横向漏磁的电抗系数。将式（2.5）带入（2.4）可得电抗电压为 得到每相电流， 将式（2.2）和式（2.9）带入（2.1）得2.4 谐波屏蔽电力变压器外形结构及尺寸图2.1谐波屏蔽电力变压器绕组剖面图（单位：mm）2.5 谐波屏蔽电力变压器阻抗计算2.5.1 磁路法图2.2变压器结构图图2.2所示为双绕组变压器剖面图，最左侧部分表示变压器铁心，由左至右依次为变压器的低压绕组和高压绕组。为铁心轴线至低压绕组内径边缘的长度，为铁心到高压绕组外径边缘的长度，为低压绕组幅向宽度，为高压绕幅向宽度，为高低压绕组中间漏磁空道宽度，为低压绕组线高，为高压绕组线高。假定高低压绕组均折算至同一匝数，且电流在绕组截面分布均匀，一次侧绕组不加励磁电流，二次绕组绕组电流为，高低压绕组的磁势相互平衡，所产生的漏磁通穿过高低压绕组所占据的整个空间。由于绕组线高远大于其半径，因此可以近似认为，绕组内部的磁感线是直线，并且绕组周围空气的磁导极小，近似为0，因此绕组以外磁路的磁压降可以忽略。由上述假设可以推断，漏磁通密度沿绕组轴向方向呈梯形分布，高压绕组主漏磁空道的最大漏磁密度为： 其中表示绕组的安匝数，表示绕组电抗高度。由于变压器绕组导线的绝缘厚度与绕组高度比值很小，因此可以把线圈的有效高度作为电抗高度。假设一次侧绕组和二次侧绕组的漏磁分界线在两个绕组之间的主空道处，距离低压绕组距离为，由变压器结构图2.2，距离高压绕组的距离就是。因为在空道中的值为常数，故通过高低压绕组之间空道的分界线左边的漏磁通，与低压绕组线圈交链，即距离内的磁链数为： 对于低压绕组而言，取距离低压绕组内径距离为，厚度为的圆筒形磁管进行计算，其匝数为，小磁管与线圈交链的磁链数为： 通过低压绕组的漏磁通与低压线圈交链后的磁链数，利用微积分可得如下表达式： 因此，漏磁通与低压绕组交链，总磁链数为： 同理可得，漏磁通与高压绕组交链的总磁链数为： 总磁链为： 由此可见，漏磁通和两个绕组交链的全部漏磁链与分界线的位置无关。因此我们可以不确定漏磁通分界线的具体位置，却计算出两个绕组的总漏磁链。漏磁链在两个绕组中感应的漏抗电势为： 其中 式中的长度单位均为厘米。将式(2.18)简化可得 式中：；变压器短路时，变压器在短路阻抗上的压降分量与漏抗电势相平衡，所以变压器的阻抗压降为： 将式(2.10)代入式(2.20)可得： 如果知道变压器线圈的每匝电势，短路电抗的压降百分数就可以写成： 所以变压器短路电抗为： 其中：为频率；为折算到一侧的变压器匝数；为额定电流；表示两个不等高绕组的平均电抗高度（厘米）。另外，因为以上的推导简化了磁路，即将绕组内部的磁场看做是均匀的直线分布，线圈外部的磁阻不是为零等。就与实际情况存在一定得差异，因此在实际计算时，需要除以一个小于一的系数，这个系数称为洛氏系数，可以由表2.3查得：表2.3 洛氏系数0.50.60.811.21.41.61.822.50.50.550.640.690.740.770.80.820.840.8733.545681020300.890.910.930.940.950.960.970.9840.99当绕组的高度远大于绕组厚度时，也可以用如下的公式进行计算： 其中为漏磁宽度。2.5.2 能量法能量法和磁路法计算漏电感的思路是不相同的，磁路法通过求出漏磁链的表达式，来求漏电感，从而求的短路电抗。能量法是从漏磁场储能的角度出发，由漏磁场能量求出漏电感大小，再根据电感和电抗的转换公式，求出短路电抗的。磁场能量的表达形式有以下两种： 由式(2.25)与式(2.26)，可以得到电感的表达式： 由，可知： 又由于，所以有： 换句话说，只要我们知道漏磁场内各点磁场强度平方的积分，就可以求得短路电抗。下面来计算的值。我们先将积分空间分为以下三个区域，包括高低压绕组间的空道所占的空间，其磁场强度大小恒定，为，低压绕组内部的磁场强度以及距低压绕组内径距离的一个薄层的场强为，高压绕组内部的磁场强度以及距离高压绕组外径距离的一个薄层的场强为。因此可以求得在范围磁场强度平方的积分为： 同理可以求得在范围内磁场强度平方的积分为： 在范围内磁场强度平方的积分为： (2.30)、(2.31)、(2.32)相加，可得全部漏磁路中的： 其中与磁路法相同。表示两个不等高绕组的平均电抗高度（厘米）。由于计算高度为，为了修正磁路法所述中由于铁心端部磁感线并非理想磁场而产生的误差，同样要除以洛氏系数，因此可以得到能量法的短路电抗计算结果为： 同样，式中的尺寸为厘米，得到与磁路法相同的推导结果。第三章 利用ansoft进行变压器短路电抗的有限元设计3.1 利用ansoft进行有限元设计3.1.1 有限元方法有限元法是有限单元法的简称，随着计算机硬件性能的大幅提升以及软件的大量使用而迅速发展起来。简单的说，有限元法是使求解区域整体离散化，将其分成许多小区域，称之为“有限元”或者“单元”，把所要求解的微分方程数学模型转化为边界值问题，利用求解边界问题的方法求解每个“有限元”，经过对每个“有限元”简单重复地迭代计算，得到每个小区域的解，把所有的解整理起来就得到了整个区域的解。由于计算机本身具有可以高速进行大量重复计算的特点，因此，复杂的线性矩阵方程在计算机的运行下变得十分简单。3.1.2 ansoft 软件介绍ansoft软件是一款功能强大的电磁场分析软件，由ansoft公司设计并在在2003年发行，主要利用有限元分析计算不同的场。ansoft由maxwell 2d/3d两个软件包组成，maxwell 2d针对二维场的分析求解，maxwell 3d则针对三维场的分析求解，其功能十分强大，而且易于上手使用。maxwell 2d包括静磁场、电场、瞬态场、涡流场等分析模块，用户界面简单明了，操作十分方便。maxwell 3d具有高性能的自适应剖分技术以及强大的后处理器使maxwell 3d在业界高性能三维电磁设计软件遥遥领先12。利用ansoft进行有限元分析计算的过程一般分为模型的绘制、模型材料的添加、边界条件的设置、激励源的设置、网格剖份设置、求解器的选择这几大步骤。3.2 ansoft进行谐波屏蔽电力变压器阻抗设计3.2.1 ansoft maxwell 3d模型的绘制对于利用ansoft仿真而言，首先需要绘制工程模型，ansoft的绘图方式十分方便易用，有各种绘制图形的工具以及布尔运算等修改工具。在绘制模型绘制时，主要用到以下几种操作。1、先要确定软件的默认坐标系类型和模型绘制方式。在ansoft软件中用户可选择以下几种坐标系，分别是cartesiar 直角坐标系，cylindrical 柱坐标系和spherical 球坐标系。在三个坐标的数据栏后有两个下拉菜单，前一个是模型绘制时的坐标，默认为绝对坐标，也可通过下拉菜单将其更换为相对坐标。具有的三种常用坐标系可使绘制的模型形状不一时，根据需要更换不同的坐标系。2、工作平面的选择工作平面是一个无限大平面，指的是我们建模中当前操作的平面，操作中任一时刻只存在一个工作平面，它与坐标系是相对独立的，刚进入ansoft软件时，默认的工作平面就是坐标系的x-y平面，工作面的x，y轴分别为对应整体坐标系的x轴和y轴。我们可以在ansoft软件上移动，定义，旋转工作平面。3、在ansoft软件中的布尔运算，可以对实体进行交，并，减等逻辑运算处理，ansoft的布尔运算包括相加运算：即对所有图块进行拼合，包含原有图块的所有部分，形成一个新的整体；相减运算：即从某一个图块中减去另一个图块；相交运算：即保留原有两图块的公共区域作为新的图块。针对本设计的四绕组谐波屏蔽电力变压器建模结果如图 3.1。图3.1四绕组谐波屏蔽电力变压器模型3.2.2 模型材料的添加在绘制好工程模型之后，我们需要按照实际情况对绘制模型中的不同结构添加相应的材料属性。ansoft软件中有三个材料库：第一个是系统材料库system libraries 材料库，其中包含电磁设备所需的常材料；第二个是用户材料库user libraries 材料库，可根据用户使用情况将系统材料库中没有的材料有用户定义成用户材料库，库名称可自行命名；最后一个是个人材料库personal libraries材料库。所有的变压器绕组线圈定义为铜 copper 如图3.2所示。 图3.2谐波屏蔽电力变压器线圈绕组材料添加变压器铁心及铁轭材料为硅钢，相对磁导率设为7000 如图3.3。图 3.3铁心铁轭材料添加3.2.3 边界条件的设置在有限元法的实质是求大型矩阵方程的解，边界条件是该矩阵方程有定解的条件。如果没有边界条件，将有无数组解满足该方程，但同时满足方程以及其边界条件的数值解仅有一组。边界条件的设置使得方程组可以被解出，边界条件也就是模型各个边界上的确定量，可以是场量以及其他可用来定解的量。具体包括：vector potential boundary 狄里克莱边界条件、symmetry boundary 对称边界条件、balloon boundary 气球边界条件、master/slave boundary 主从边界条件、default boundary conditions 自然边界条件。该谐波屏蔽电力变压器模型采用的是自然边界条件，自然边界条件可以用来描述两个相接触的物体，接触面上，磁场强度h 的切向分量与磁感应强度b 的法向分量连续性的边界条件，该条件无需用户自行定义，求解时会自动添加到物体外边界。3.2.4 激励源的设置使用ansoft对模型进行有限元分析其系统其能量均不能为 0，所以必须对系统添加激励源。在静磁场分析中，激励源主要有两种：一种为电流源，另一种为电密源。需要指出的是，对于类似于变压器绕组这样的的多匝线圈，激励电流是给总的安匝数，并非一匝线圈的电流值。对于该谐波屏蔽电力变压器的短路阻抗设计而言，加激励时应注意以下方面：以求高压对低压绕组的短路阻抗为例，加激励时应选首先择变压器三相中的某一相，比如a相，在a相的高压和低压绕组分别通以大小相等方向相反的安匝电流，以保证在铁心柱中产生的主磁通大小相等方向相反相互抵消，因此剩下的磁场全部为漏磁场。我们就可通过漏磁场的能量来计算漏电感，进而算出短路电抗。激励添加如图3.4图3.4激励源设置3.2.5 剖分设置在完成了模型的绘制、添加了模型材料及属性并正确设置了了激励源和边界条件后，就需要开始进行剖分设置。剖分就是将模型按一定规则分成许多小单元，ansoft系统自带的网格剖分共分为三大类，分别是：on selection 对于物体边界内指定剖分规则、inside selection 对物体内部指定剖分规则和surface approximation对物体表层指定剖分规则，也可以直接利用软件内部的自适应剖分得到正确的计算结果。3.2.6 求解器的设置 剖分之后就可以设置求解选项。ansoft针对不同的场设有不同的求解器，求解器分为静磁场求解器、涡流场求解器 瞬态磁场求解器、静电场求解器、交变电场求解器、直流传导电场求解器。在求解器设置选项中可以设置maximum number of passes 即为计算时所需要的最大收敛步数，默认为10步，超过10步即使没有收敛也不会再计算。percent error为收敛百分比误差，即可设定结果的精度。本设计变压器设置最大收敛步为10步，收敛百分比误差为1%，如图3.5图3.5场求解器设置 第四章 利用ansoft进行有限元分析计算结果4.1 谐波屏蔽电力变压器绕组间漏磁能量原始计算数据 利用ansoft对谐波屏蔽电力变压器两两绕组漏磁能量结果如下，pass代表迭代次数，total energy (j)代表磁场能量，单位j， energy error (%)表示能量计算误差百分比。最终计算结果加粗表示。表4.1 d-g 低压对高压绕组passtotal energy (j)energy error (%)10.067253.672720.0654771.5802 30.0934260.4482540.093290.15908表4.2 d-l 低压对滤波绕组passtotal energy (j)energy error (%)10.067253.672720.0654771.580230.0934260.4482540.0411730.3528850.0146060.198860.00444830.08987370.00445380.044366表4.3 l-g 滤波对高压绕组passtotal energy (j)energy error (%)10.067253.672720.0654771.580230.0934260.4482540.0411730.3528850.0410780.22503表4.4 m-g 中压对高压绕组passtotal energy (j)energy error (%)10.067253.672720.0654771.580230.0651830.39813表4.5 d-m 低压对中压绕组passtotal energy (j)energy error (%)10.067253.672720.0654771.580230.0934260.4482540.0411730.3528850.0146060.198860.00444830.08987370.00612870.05950180.00612830.026339表4.6 l-m 滤波对中压绕组passtotal energy (j)energy error (%)10.067253.672720.0654771.580230.0934260.4482540.0411730.3528850.0146060.198860.00444830.08987370.00612870.05950180.00653650.06228590.00651750.0261814.2 结果汇总分析4.2.1 变压器基本参数表4.7 谐波屏蔽电力变压器基本参数表线圈计算低压中压滤波高压容量(kva)9000018000050000180000接法yy相电压/v38500.00 69861.43 38500132794.46电流/a779.22858.84432.90 451.834.2.2 变压器电抗基准值的计算对高压220kv侧绕组的电抗基准值为中压110kv侧折算之高压的电抗基准值为 低压35kv折算至高压侧的点抗基准值为4.2.3 电感及短路电抗的计算电感的计算公式为 其中l为电感大小，为磁场储能值，i为通入绕组电流大小。电抗计算公式为 其中频率f取50hz。短路百分电抗ux%为 其中为变压器短路电抗，为对应的电抗基准值。三绕组1号、2号、3号绕组短路百分电抗4.2.4 谐波屏蔽电力变压器计算结果汇总表4.8 谐波屏蔽电力变压器短路电抗计算结果汇总绕组中-低低-滤高-低滤-中高-中高-滤激励/安匝241133459241459459能量/j0.00612830.00445380.093290.0065170.0651830.041078电感/h0.01225660.00890760.186580.0130350.1303660.082156电抗基准值/81.34424.704293.90481.344293.904293.904电抗/3.850522.7984058.615784.0950640.9556525.81004ux%4.734%11.322%19.944%5.034%13.935%8.782%表4.9 谐波屏蔽变压器对滤波绕组短路阻抗结果汇总绕组高-滤-低高-滤-中ux%0.08%-0.06%4.2.5 设计误差及结果分析表4.10 短路电抗误差分析绕组中-低高-低高-中高-滤-低高-滤-中设计要求值7.75%24.38%14.24%00仿真计算值4.73%19.94%13.94%0.08%-0.06%误差-3.02%-4.44%-0.31%0.08%-0.06%允许误差7.5%10%5%由表中可以看出，高-中绕组短路电抗仿真与设计要求误差为-0.31%，很好地满足了并联运行条件；高-低、中-低绕组短路电抗比设计要求略微偏小，但依然在设计误差范围内，可以并联运行；高-滤-低、高-滤-中绕组的短路电抗几乎为0，满足了对于110kv和35kv负载感应滤波的条件。4.2.6 与磁路法计算结果的对比分析磁路法计算谐波屏蔽电力变压器绕组的短路电抗已由具有经验的工程师完成，与有限元仿真计算结果对比如表4.11。表4.11 有限元法与磁路法结果对比绕组中-低低-滤高-低中-滤高-中高-滤高-滤-低高-滤-中有限元仿真结果4.73%11.32%19.94%5.03%13.94%8.78%0.08%-0.06%磁路法计算结果4.89%11.77%20.68%5.23%14.58%9.41%0.25%0.03%结 论论文课题源自于湖南省电力公司220kv冷江西变电工程180mva三相四绕组谐波屏蔽电力变压器的实际科研项目，主要研究感应滤波技术在电力变压器中的应用。该谐波屏蔽变压器是感应滤波技术第一次在大容量、高电压的电力变压器上进行应用，进行了将传统三绕组变压器改为四绕组变压器的勇敢创新与尝试。电力变压器的短路阻抗设计及计算，是变压器设计的核心内容，对变压器的运行起着至关重要的作用。本文介绍了三种变压器短路阻抗的计算方法，分别是磁路法、能量法以及有限元法。其中磁路法和能量法是利用传统手工进行计算的方法，而有限元法则是利用电脑软件进行三维建模之后进行矩阵方程的分析计算求得结果。相比之下有限元法较传统方法更为快捷、精确。只要模型建立准确，立刻就可获得大量的仿真结果，而且在参数变动的调试过程中也有着无法比拟的优越性。论文先阐述了课题的背景，指出了目前谐波治理的紧迫性，以及谐波屏蔽电力变压器设计的可行性与必要性。简要介绍了谐波屏蔽变压器的各项条件及性能要求，重点介绍了变压器短路阻抗的设计计算方法。论文详细叙述了利用有限元分析软件ansoft程序的使用方法以及针对谐波屏蔽电力变压器的建模仿真过程。论文最后一章对谐波屏蔽电力变压器的仿真数据进行集中分析处理得到结果。根据有限元计算得出结果显示，高-中绕组短路电抗仿真与设计要求误差仅为-0.31%；高-低、中-低绕组短路电抗比设计要求略微偏小，但依然在设计误差允许范围内，足以满足并联运行条件；高-滤-低、高-滤-中绕组的短路电抗几乎为0，很好地满足了对于110kv和35kv负载感应滤波的条件。又由富有经验的工程师利用磁路法对谐波屏蔽电力变压器短路电抗进行计算，结果与本论文利用ansoft有限元方法得到的结果相比十分接近，阻抗电压的最大误差为0.5%左右。可见论文所述的由有限元设计分析谐波屏蔽电力变压器的方法是有效可行的。致 谢从毕业设计的开题阶段至今，历时四个多月。在本论文完成之际，首先要向我的指导老师罗隆福教授表示由衷的感谢，虽然罗老师是电气院的核心领导，但我从罗老师身上看到更多的是一位热爱自己的学生，热爱自己的事业，一位朴实无华的老师。在做本次毕业设计的过程中，罗老师安