三相油浸式变压器结构设计及电磁计算
摘要
三相油浸式变压器由于低损耗、大容量、散热好等特点仍是电网运行的主要产品。三相油浸式变压器兼顾了以上特点，还具有噪音低、避免“油流带电”等优点，越来越受到应用和重视。采用自然油循环冷却方式的直接后果是铜油温差增大，三相油浸式变压器散热问题更加突出。同时，由于电力需求的不断增加和供电可靠性的不断提高，变压器产生的损耗更大。如何有效地散发产生的热量，避免变压器发生故障，是一个亟待解决的问题。随着对变压器热故障的深入研究，发现变压器内部材料寿命最敏感的部分是绕组的绝缘纸，绝缘纸的老化从最热开始观点。因此，研究三相油浸式变压器的温度场和热点，优化冷却结构具有重要意义。由于油浸式电力变压器内部的多物理环境复杂，金属膜片式或F-P气腔式等常见的光纤光栅传感器结构无法用于对内部各处的压力进行传感测量。针对长期高温油浸电磁环境，本文提出一种高灵敏度光纤光栅传感结构，可测量油体中单方向压力。然后，本文建立了传感结构的静态应变模型和聚合物热膨胀模型，并利用有限元分析软件进行仿真。结果表明，所设计的结构可以准确地用于压力测量，并且可以有效避免传统敏化罐式的压力。由于聚合物的热膨胀导致传感器灵敏度降低的问题。本文为三相油浸式变压器内压测量传感结构的设计提供了一种实用的思路。三相油浸式变压器配合相应的橡胶聚合物，可直接测量高温油浸环境中各个位置的压力，且不会对变压器内部绝缘造成威胁。
关键词:三相油浸式变压器;传感结构;电磁计算;

目录
论文题目：三相油浸式变压器结构设计及电磁计算 I
三相油浸式变压器结构设计及电磁计算 I
摘要 I
1 引言 1
2 电磁场及热场数值仿真理论基础 3
2.1有限元法 3
2.2电磁场数值仿真理论基础 3
2.2.1麦克斯韦方程组 3
2.2.2电磁场边界条件 4
3 三相油浸式变压器结构模型的建立 6
3.1 传感结构受力特性分析 6
3.2 三相油浸式变压器结构模型的建立 7
3.2.1静态应变模型 7
3.2.2材料的热膨胀模型 7
3.3 仿真及结果 7
3.3.1压力灵敏系数验证 8
3.3.2热膨胀对两种结构测量灵敏度的影响 9
4 三相油浸式变压器电磁仿真计算分析 12
4.1模型建立及参数条件 12
4.1.1物理模型建立 12
4.1.2网格划分 13
4.1.3模型材料及激励条件设定 15
4.3不同负载系数下电磁场分布状况 16
4.3.1各相峰值时刻磁场强度分布(H) 16
4.3.2各相峰值时刻磁感应分布(B) 17
4.3.3各相峰值时刻绕组电流密度分布(J) 18
4.4本章小结 19
5 结语 20
参考文献 20

1 引言
三相油浸式变压器是电力系统中能量传递和电压转换的枢纽设备，当发生故障时，供电中断，对电力系统的可靠性和稳定性产生不利影响。根据CIGRE 2015年发布的转换错误原因统计报告，63%的转换错误是内部错误。其中，电弧发射的后果最为危险。当电弧发生时，热量会迅速燃烧故障周围的绝缘油，使油箱内的压力升高，从而导致油箱破裂或爆炸。目前，三相油浸式变压器开关已采用多种压力保护装置，以快速释放故障产生的高压油气。但这些设备只能进行维护，不能实时监测压力，电弧运行时的运行特性不符合要求。光纤传感器不受电磁干扰，灵敏度高。此外，对不同参数的快速响应使光学传感器可用于监测能量变化。经过长期的发展，光纤压力传感器的研究已经成熟。2000年，南开大学的刘云奇将纤维网封装在有机聚合物中，在受到压力时可以保护网。然而，当聚合物增强型压力传感器放置在水或气体容器中时，三相油浸式变压器不仅会对轴向压力作出反应，还会对径向压力作出反应。由于泊松效应，径向压力降低了轴向应变，反射指数因轴向压力而变化，降低了压力测量的精度。因此，有专家开发了一种固化反应罐的方法，即通过焊接或其他方法将压敏聚合物储存在厚壁金属圆筒中，将纤维网装载在圆筒轴线上，被引入聚合物中。金属套管用于保护其他方向的应力，开口方向的压力使聚合物产生轴向应变。这种封装结构在达到灵敏效果的同时增加了传感器的电阻，与光栅相比，传感器的压力系数提高了1722倍。除了上面提到的使用波长调制的那些之外，目前还有许多其他关于光纤压力传感器的研究。张涛杰等人选择了硅膜片作为压敏元件，并利用MEMS技术将其与高分辨率薄膜相结合。利用双光束干涉原理与Pyrex7740玻璃片和减反射涂层粘合制成光纤F-P压力传感器，传感器的灵敏度变化腔长度为1.445 N，m/ MPa，范围为0-1 MPa，光纤压力传感器的出现促进了各行业压力监测技术的创新。王永红等人利用纤维网状传感器对静压驱动器的穿透特性进行了研究，通过实验验证发现，与传统的接触式压力传感器相比，它具有更高的灵敏度和改善的纤维应变传感器的线性度。静压计可以准确反映。由姜山超等人提出。300 kPa 土壤介质中的压力测量，也使用光纤网传感器，由王永祥等人精心规划了传感器的安装位置，提高了轨道存在检测的可靠性和稳定性。
三相油浸式变压器内部复杂的电气环境和物理尺寸之间的相互关系对压力传感器的结构提出了更高的要求。目前，大多数光纤压力传感器仅使用金属膜片作为压力敏感部件，或者使用硅膜片和光纤形成气腔结构，这可能会对定义的变化造成威胁。长期的高温油浸环境也给油箱压力传感器带来了一些问题。一方面，聚合物与保护壳之间的绝缘降低了弹性体聚合物在受到外部轴向应力时的弹性，而保护壳阻止了聚合物在外部应力作用下的正常变形。另一方面，当变速箱油温升高时，聚合物与保护盒的摩擦力增大，从而阻止了轴向应变，降低了测量的灵敏度。金属套和聚合物之间涂有硅隔热橡胶，克服了三相油浸式变压器两者之间的粘连和摩擦，但在高温区域很难正常工作，金属套涂层意味着它坚硬适用用于电子设备。为此，本文研制了一种适用于三相油浸式变压器内压测量的灵敏结构。该结构利用罐式传感器的作用，可以保护与外部压力无关的外部压力，以确保三相油浸式变压器内部绝缘聚合物仅因开口所承受的压力而变形。加热、膨胀或收缩时，不受保护架的摩擦或阻碍，增加了开启方向压力测量的准确性。本文首先分析了制造的传感器结构的力学性能，然后确定了传感器的静态应变模型和聚合物的热膨胀模型；最后对传感器进行对比验证，确定压敏系数和设计结构。经测试以消除热膨胀的影响。三相油浸式变压器内置传感器结构，非常适合在各种高压环境下测量内部压力。

2 电磁场及热场数值仿真理论基础
2.1有限元法
由于边界条件的不确定性以及微分方程组的复杂程度，解决电磁场问题很难得到准确的结果。作为一种计算方法，有限元法在解决电场问题中起着重要的作用。有限元法的原理是：将待求解的一般区域划分为若干个小的单元集，即划分连续求解区域，然后将每个单元体视为相邻集，使用逼近函数来表示待解的未知边界函数，最后将解域中的微分方程组转化为数值插值函数，确定场域赋值的近似解. 通过求解单元的功能价值。
2.2电磁场数值仿真理论基础
2.2.1麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组是电磁场数值计算和电磁场理论的一个基本依据，它可以用来描述宏观电场的基本规律。麦克斯韦方程组可以结合适当的边界条件、激励条件、信号条件等来求解精确解问题，可以得到电场量之间的相互作用，以及倒数的弹簧、电流和弹簧电荷。电路中电场的计算和分析 使用泛函方法可以简化概念，使建立数学模型和计算磁场分布的过程越来越简单、越来越快捷。

式中:
H——为磁场的强度(A/m ) ;
J——为电流密度(A/m2) ;
D——为电位移(C/m2) ;
P——为电荷密度(C/m3);
E——为电场强度(V/m)
B——为磁感应强度(T)
麦克斯韦方程组的这意味着电场和磁场是一个相互作用、相互作用和相互影响的整体系统。磁场的连续交变过程产生旋转电场，电场的连续交变过程产生磁场，电场大小与平均特征大小的关系:

式中:
——为介电常数(F/m);
——为磁导率(H/m ) ;
——为电导率(S/m).
2.2.2电磁场边界条件
只有确定了场域中边界处的物理环境和场域的初始条件才能求得唯一解，因此，确定了场域的微分方程。在电磁场中，重点是制定边界条件和求解微分方程。 因此，简要介绍了电场的边界条件。边界条件可分为以下三种.
(1)狄利克莱边界条件(Dirichlet)

式表示通过己知边界处的物理情况给定了待求物理量u在边界S上的值，即为第一类边界条件。

式中:
S——为场域的边界;
U——为待求物理量;
f(s)——为己知分布的函数。
(2)诺依曼边界条件(Neuman)

表示量u的正态导数的值的公式是根据边界条件的物理条件在边界S上确定的，即为第二类边界条件。
(3)洛平边界条件(Robin)

该方程显示了根据边界处的物理条件，找到的物理量 u 及其在区域 S 中的法向偏差的线性组合值， f1(S) 和 f2(S) 是已知分布的函数，称为第三类边界条件。

3 三相油浸式变压器结构模型的建立
3.1 传感结构受力特性分析
适用于三相油浸式变压器内部压力监测的传感结构见图3.1,3.2.图3.1中，保护壳（外层）以其他方式保护压力，敏感聚合物（内层）作为压敏元件，纤维网覆盖压元件。三相油浸式变压器内外之间有空隙，由4个梯形连接块连接，即图3.2中的正方形，与外保护壳一起浇铸，处理后将内聚合物固定在保护壳上。外绝缘壳的弹性模量远大于内聚合物，因此这种结构不仅保留了绝缘罐的优点，即仅将图3.1中的区域A作为强表面来感应压力，保证传感器在测量的同时，内部和外部之间的油空间允许聚合物自由变化，消除了保护壳对内部敏化聚合物的阻力；此外，可根据转移油的介电常数选择所用材料。

图3.1 适用于三相油浸式变压器内部压力监测的传感器结构图

图3.2 所提传感器结构的主视图与侧视图
当该结构受力面受到压力P的作用时，此时，内部聚合物在个方向的受力情况为:

根据广义胡克定律有:

式中:分别为内部聚合物在x,y,z方向上受到的应力;E为内部聚合物的弹性模量;为其泊松比。
由于聚合物收缩带动内部光纤光栅产生轴向应变，因此，纤维网络的轴向应变，光纤光栅中心波长处的偏转受光弹效应和波动效应的影响。

3.2 三相油浸式变压器结构模型的建立
3.2.1静态应变模型
考虑到聚合物材料正常工作时均发生线性应变，列写聚合物材料的平衡微分方程:

式中:为聚合物材料的密度;为其位移场;为聚合物的阻尼系数;为其柯西应力张量;f为其单位体积力。

静态仿真是为了验证敏感元件在外界应力下的应变情况，物理方程是胡克定律，不考虑非应变（粘应力、塑性应变、蠕变等），我们有:

式中:S为应力;为材料的预应力;
3.2.2材料的热膨胀模型
聚合物材料受热时会发生热膨胀，改变形状和大小。当聚合物在传统的敏化罐压力传感器中膨胀时，由于金属保护壳的阻力，内部的敏化元件被径向压缩的, E会影响其轴向应变，进而降低了这一工况下的压力灵敏度。

3.3 仿真及结果
在有限元仿真软件中搭建见图3.2的传感结构模型，内