摘要：建立了变压器场路耦合三维有限元模型，分析了变压器漏磁场分布及绕组受力情况，对控制变压器负载噪声提出了具体措施。
作者：蒋志勇 通用电气(中国)研究开发中心有限公司
1 概述
环氧树脂浇注干式变压器由于具有整体机械强度好、耐受冲击过电压性能优越、过负荷能力强、使用的绝缘材料具有阻燃性、维护方便、耐候性强等诸多显著优点，目前已在高层建筑、轨道交通、钢铁化工、海上风电、分布式光伏发电等领域得到了广泛的应用，干式变压器的生产制造水平也随之不断提高。无论从产能还是技术水平来看，我国的干式变压器都已经站在世界的前列。尤其近几年，在市场竞争压力的驱动下，国内干式变压器制造企业越来越重视产品的质量、运行可靠性的提升以及生产制造成本的降低，对新结构、新技术的研究和应用也更加关注，长圆形线圈结构的干式变压器就是在降本节材的背景下得到了许多生产制造企业的应用和推广。
2 长圆形线圈变压器简介
长圆形线圈又名跑道形线圈，顾名思义，就是将圆形线圈分为两半，中间增加了一段直线部分，类似于运动场中的跑道形状，故而得名。相比于传统的圆形线圈变压器，采用长圆形线圈(铁心也相应地将主级加厚)后，变压器的中心距相应会减小，铁心的窗宽变窄，在相同铁心截面积、铁心窗高的情况下，变压器在长度方向上的尺寸更加紧凑，使用硅钢片更少，在硅钢片单位铁损相同的情况下，变压器整体的空载损耗也得以降低。因此，从一定意义上来说，在满足各项电气运行性能的前提下，配电变压器采用长圆形线圈既节材又节能，因而得到了
图1长圆形线圈、铁心剖面图
众多小型变压器制造厂家的青睐和推广。
3 噪声超标案例介绍
某公司一台SCB10-1000/10变压器实验过程中出现了噪声超标的问题，产品主要要结构及相关参数如下：变压器容量1000kVA，额定电压10/0.4kV，短路阻抗百分比6%。高压绕组为铜线绕制，分段层式，整体浇注，低压线圈为铜箔绕制，采用内外绕包DMD预浸料高温固化、线圈两端树脂流平端封处理。线圈采用长圆形结构，总高660mm。铁心采用五级步进、两片一叠、45度全斜接缝，铁心窗高740mm，中心距560mm，所用硅钢片牌号为30Z120，设计磁密1.62T，采用穿心螺杆的方式夹紧。
试验情况如下：产品在空载状况下(电压达到额定值，铁心充分励磁)一切正常，无明显噪声，在负载损耗测试过程中，当高压施加电流达到52A时(此时低压电流约为1300A),现场变压器出现了明显异常的噪声，通过现场测试，噪声达到了70dB，并且噪声为持续、稳定的“嗡嗡”声。停电后检查铁心器身各部位撑紧、夹紧、压紧的状况良好，无螺栓松动、线圈移位情况。风机未启动。
4 原因分析
4.1 干式变压器噪声产生的原因
声音是由震动所产生的，运行中的干式变压器噪声主要来源于三个方面：
① 硅钢片磁滞伸缩引起铁心片震动产生的噪声：铁芯励磁时，在交变磁场作用
下，硅钢片的尺寸会发生微小的变化，沿磁力线方向硅钢片的尺寸要增加，而垂直于磁力线方向硅钢片尺寸要缩小，这种尺寸变化称为磁致伸缩。产生磁致伸缩时，硅钢片的尺寸会在励磁作用下产生微小的、有规律的变化，从而引起片间震动甚至引起铁心整体的震动，从而产生噪声。可以说磁致伸缩引起的噪声是干式变压器噪声最主要的来源。影响其大小的因素主要有以下方面：首先是硅钢片材质的好坏、铁心片加工控制以及叠片工艺性能优劣，其次，运行中铁心磁密以及励磁电流谐波分量有关，最后，和铁心整体绑扎、刷漆等措施也有一定关系。②绕组及其他部位未绕紧或撑紧，在漏磁场作用下引起震动从而产生噪声。③风机产生的噪声。
4.2试品噪声超标原因分析
该试品所使用的原材料及叠片工艺、绑扎方式、刷漆工艺等与我厂批量生产的产品并无二致，之前并未出现此类异常。同时，产品设计磁密并不高，铁心体积也比较小，最为重要的是，变压器在空载满励磁状态下并未出现噪声异常，综合以上分析，可以初步排除铁心因素。进一步分析，空载损耗实验和负载损耗实验最根本的区别是流过绕组的电流大小不同，负载状态下的额定电流远远大于空载电流。变压器在负载状态下噪声异常增大，可以基本判定变压器噪声产生的原因是绕组等载流部件在较大的负载电流产生的漏磁场作用下产生了震动，进而引起噪声异常。为确定上述分析，实验人员在绕组通电状态下(低电压、大电流)，试着用手感触了线圈各部位震动情况，事实证明：低压线圈内侧有明显的震动。
进一步分析，该变压器线圈为长圆形结构。由于线圈中有一段直线部分在绕制过程中不易绕紧，因此，最终绕制成的长圆形线圈，其直线部分往往是带有一定弧形的。如果绕制人员控制不好，该偏差可能会比较大，如图2所示。此外，
图2 绕制成的长圆箔绕线圈外形
该低压绕组采用不浇注亦不浸漆的工艺，使得这一生产缺陷无法得到弥补，造成箔式绕组层间存在间隙。同时，通过进一步分析，该变压器线圈与铁心之间的撑紧结构已存在一定缺陷。在载流状态下，铜箔便在周期性改变方向的漏磁场作用下产生震动，情况严重时将产生异常噪声。
为进一步分析箔绕变压器在负载状态下绕组在漏磁场中的受力情况，笔者利用有限元分析软件对该试品进行了建模分析。
5 建模与仿真
5.1 建模
利用三维有限元分析软件对该变压器进行建模，为节约计算机资源，笔者
图3 三维计算模型(单相心柱的1/72)
对变压器进行了合理简化，同时，在满足分析需要的情况下，仅计算了1/72单柱铁心、绕组的漏磁及受力情况。
为着重分析箔绕线圈各层铜箔在漏磁空间内的情况，笔者特意对低压绕组进行了分层建模，即对铜箔和相邻的层间绝缘均进行了建模，同时为保证计算精度，铜箔和层间绝缘部分设置了更为细密的网格剖分尺寸。
图4 网剖分图
图5 漏磁场分布图
笔者首先对二维空间漏磁场分布进行了求解，求解结果如图5所示。为进一步研究各部位漏磁场大小和方向，笔者对模型进行了三维网格划分，并进行了了重新求解，求解结果如图6所示。
图6 漏磁场分布图
在此基础上，求解了绕组及各层铜箔的受力情况，如图7所示。由结果可知：低压绕组在带载情况下受到向内的力，同时，各部位受力并不均匀，上下两端受力强度大，较集中，中部较小，较均匀。
图7 低压绕组受力情况
6 结论
长圆形变压器在生产过程中应控制好绕组紧实度，另外，对于容量较大的线圈适当采取浸漆、填充固化胶等措施实施绕组固化。在器身装配过程中，目前大多数厂家只在心柱的前后两侧打撑板、在其他部位仅进行局部的撑紧，对于长圆
图8 改进后的器身撑紧结构
形线圈，此种撑紧结构不是很到位，应该注重心柱左右两侧的撑紧，在左右两侧也应该打入与线圈等高的硬撑板，将线圈直线部分尽可能撑紧。对于成品线圈在现场因为上述原因产生较大噪声，也可以采取灌注自固化树脂的方式进行降噪处理。
参考文献：
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朱博，程志光，刘兰荣，张俊杰，范亚娜，李琳.变压器箔式绕组挤流效应及涡流损耗的研究[J].变压器，2012,49(9)：13-17
作者简介：蒋志勇(1981-)，男，新疆昌吉人，通用电气(中国)研究开发中心有限公司工程师，主要从事干式变压器的技术研究与产品开发工作。
