王建民1 贾建刚2 刘兰荣1 范亚娜1 秦金立2 桑会凯2程志光1
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摘要：在分析移相整流变压器绕组结构和电气接线的基础上，建立了场-路耦合法的三维漏磁场和等效电路模型，分别对轴向多分裂移相整流变压器的漏磁场、并联支路或分裂绕组感应电流和短路阻抗进行了仿真计算，通过与实际产品测量结果的比较与分析，验证了计算方法与计算结果的有效性。
关键词：移相整流变压器，漏磁场，短路电抗，场-路耦合法
0 引言
为了防止电网中的高次谐波和提高整流供电设备的质量，用于城市轨道交通和变频调速装置中作为隔离电源等的轴向多分裂移相整流变压器的需求量在不断增加，其技术性能和可靠性要求愈来愈高。由于移相整流变压器网侧绕组带有并联支路、阀侧轴向上具有多分裂绕组和延边三角形连接，因此，其绕组结构和电气连接较普通变压器复杂，由此，绕组并联支路电流和在形成的闭合回路中感应的电势与感应电流未知，且产生的漏磁场不对称，传统或现有的设计方法难以满足技术性能要求，为此，笔者对其设计中的漏磁场、电流分布及短路阻抗等进行仿真应用研究，具有十分重要的意义。
根据移相整流变压器绕组结构与试验接线特点，作者利用场-路耦合法对整流变压器进行了三维漏磁场的数值仿真建模和短路阻抗仿真应用研究，通过绕组支路电流与短路阻抗的计算与产品测量结果的比较表明，各种接线情况下的短路阻抗计算结果满足产品设计要求。
1三维计算模型与等效电路
所分析的移相整流变压器绕组布置为：铁心-网侧-阀侧，该类产品的网侧具有上下并联的两条支路，三相支路采用星形接法，阀侧在轴向上有六组电气上独立的绕组并且采用延边三角形接法进行移相，如图1为绕组电气连接图。
根据移相整流变压器绕组布置和电气连接，当计算网侧绕组对阀侧之一绕组短路阻抗（称为穿越阻抗）时或计算阀侧绕组两两之间的短路阻抗（称为分裂阻抗）时，由此构成的绕组安匝排布沿上、下结构不对称，并且，网侧绕组中的并联支路电流或阀侧短接绕组及构成闭合回路的网侧绕组中的感应电流难

a.网侧 b.阀侧1
图1绕组电气连接
Fig.1 Electrical connection of windings

以确定，而采用常规的有限元方法需要事先知道绕组中的电流分布，因此，笔者采用场-路耦合方法分别建立了三维有限元计算模型和等效电路模型，如图2和图3所示，假定条件如下：
(1) 根据绕组短路电抗的计算要求和结构对称性，计算模型沿三相中心平面前后取二分之一，除中心对称平面外，其它边界取至铁心或绕组足够远的距离；
(2) 网侧绕组沿高度分为六个安匝区，每个阀侧绕组按移相电流和基本电流的不同分为两个安匝区，因此，阀侧绕组沿高度共有十二个安匝区；
（3）认为绕组各安匝分区的电流分布均匀，激励绕

图2 三维计算模型（变压器的二分之一）
Fig.2 3D Simplified model
组和短接绕组及形成闭合回路绕组的总安匝为零，铁心按非线性材料处理；
(3) 认为三相电流对称，因此，等效电路中只有两个独立的电流源；当阀侧一绕组加电而阀侧另一绕组短接时，网侧绕组上、下并联支路首端连接在一起并形成闭合回路。

2短路电抗计算公式
利用加拿大INFOLYTICA公司开发的三维有限元分析软件MAGNET3D及场路耦合功能，可以求解整流变压器绕组三维漏磁场分布、并联支路或闭合回路中的感应电流和磁场能量（= ），然后，利用下列公式求得短路电抗：
当线圈通有电流为I时的总磁能量W为（I为相电流有效值）：
W= （1）
当忽略电阻分量时，对应额定电流下的短路阻抗为：
ZK=ω.L=ω.2W/IN2 （2）
短路阻抗百分数：
UK= ZK / ZN
= （3）
式中 VA—变压器在额定运行情况下的单相容量，kVA
f— 频率，HZ
当按本文提供的三维模型计算时，式（3）应乘以三分之二。
3计算结果与验证分析
利用场路-耦合法和确定的计算模型分别计算了2400kVA/6kV和9870kVA/10kV移相整流变压器两两绕组之间组成的非对称漏磁场和各绕组之间的短路电抗，如图4、图5为三维网格剖分图与漏磁场分布图，表1和表2分别为两台产品的各绕组之间的短路电抗，其中，网侧对阀侧绕组的短路电抗是指网侧绕组加电而阀侧一个绕组短接时的短路电抗；阀侧对阀侧绕组的短路电抗是指阀侧一个绕组加电而阀侧另一个绕组短接时的短路电抗。

图6 沿短轴剖面几个典型的漏磁场分布

Fig.6 Several representative 2D stray field

 distribution in short axial section

表1 2400kVA整流变压器各绕组的短路电抗(％)结果

     Table 1 Calculating ａｎｄ test results of short- circuit

impedance for 2400kVA rectifier transformer