ANSYS论文

变压器温度场的有限元分析

（翟莘201002034229 机电工程学院材料B102班）

摘要：变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理将一种电压等级的交流电能转换成另一种电压等级的交流电能。变压器是电力传输中重要的设备，它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义。电力变压器的节能降耗以及控制过热是目前电力系统所需要解决的重要问题之一，也是保证电力系统长期安全可靠运行的一个重要条件。如何开发合适的温度场计算技术，准确地计算变压器在各种运行状态下内部线圈、结构件及铁芯等部位的温度，控制内部热点温度不超过其内部绝缘材料的许用温度，从而保证变压器的热寿命，提高变压器的安全可靠性，是企业急需解决的问题。本课题采用有限元技术对大容量变压器的温度场进行数值模拟与分析。准确计算出变压器的平均温升和最热点温升，并合理地控制其分布，以满足标准要求，是保证变压器安全、稳定和高校运行的关键。

关键词：变压器；温度场；热流量；铁芯

引言

变压器是电力系统中不可缺少的重要设备。发电厂的输出电压收发电机绝缘水平限制，最高电压不超过20KV。而远距离输送电能时，需将电压升高到几万伏或几十万伏，以降低输电电流，从而减少输电线路上的能量损耗，这就需要通过升压变压器将电压升高。而到用电去后，须经降压变压器降低，以适合于用电设备的使用。故在供电系统中，需大量的降压变压器将输电线路输送的高压变换成不同等级的电压，以满足各类设备的需要。

变压器在220℃温度下, 保持长期稳定性，在350℃温度下, 可承受短期运行，在很广的温度和湿度范围内, 保持性能稳定，在250℃温度下, 不会熔融, 流动和助燃，在750℃温度下, 不会释放有毒或腐蚀性气体。为了减少过高温度对变压器绝缘材料的影响，使变压器实现预期的使用寿命，保证变压器安全可靠的运行，变压器各部分都有各自所规定的温度极限，现主要对变压器的铁芯和绕组进行有限元分析。

1.变压器2D及3D模型的建立

2D模型图（划分网格）

3D模型图（划分网格）

2.变压各部分有限元温度场分析

图1 图2

图3 图4

以上各图是对变压器建立的部门平面模型进

行的有限元分析，依次是：

1.温度分布云图

2.热流量分布云图

3.热梯度分布云图

4.成分热梯度分布云图

5.成分热流量分布云图

图5

3.变压器铁心部分有限元分析

图6 图7

图8 图9

图10 图11

以上各图是对铁心部分进行的温度场分析，可以看出铁心由底部向顶部温度逐渐升高，并且温升逐渐增大，顶部温度最高，最危险。铁心立柱较其他部分温度较高。各图所分析内容依次是：

6.铁芯模型图

7.铁芯网格划分

8.铁芯温度分布云图 9.铁芯热流量分布云图

10.铁芯矢量图1 11.铁芯矢量图2

4.变压器低压绕组温度场分析

图12 图13

图14 图15 以上各图是对变压器低压绕组进行的有限元分析，由图中可以看出，绕组由底部向顶部温度升高，并且温差越来越大，顶部温度最高。热流量分布并不均匀。各图分析内容如下：

12.低压绕组网格分布图 13.低压绕组温度分布云图

14.低压绕组热流量分布云图 15.低压绕组矢量图

16.低压绕组成分温度分布图 17.低压绕组成分热流量分布图

图16 图17

3D 模型图

结论

通过建立变压器部分平面模型和立体模型以及对于铁芯和绕组的温度场有限元分析，可以得出高低压绕组都是随着轴向高度的增大而上升，最热点均靠近端部位置。高压绕组温升要高于低压绕组，这是因为铝导线的散热差并且高压单层体积大于低压单层体积。铁心温升轴向高度增加，中间心柱要略高于周边。不论是高压绕组还是低压绕组，温度分布是不均匀的，下部温度低，上部温度高，绕组的最低温度位于整个绕组的底端，最高温度位于整个绕组的上半部分。

变压器开始工作时，铁心内部最先发热，温度最高，靠近绕组处的铁心较其他地方温升偏高，但其内部温度最终达到了一个近似平衡的状态。变压器运行过程中绕组的温度高于铁心且绕组和铁心的温度最终会分别达到近似平衡的状态。

在此次建模及分析过程中，感谢老师的指导和同学的帮助，起初我对于变压器的概念并不深，在查阅了相关资料和图片后，建立了简单的模型，在后续的加载以及求解过程中也遇到了很多的问题，分析的并不全面。通过此次课程，让我对于ANSYS有限元分析有了初步的了解和认识，ANSYS软件可对多种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以是实现产品技术创新，在各个领域中得到了广泛的应用。在以后的学习和工作过程中，希望能够系统和深入的学习ANSYS有限元分析软件，使其在以后的工作中发挥更大的作用。