電力變壓器油箱磁屏蔽效果仿真與結構優化

王蘊 郝寶良 張猛

摘 要：電力工程上通常采用磁屏蔽來減少進入變壓器油箱箱壁的漏磁，從而減小渦流損耗與磁滯損耗。磁屏蔽一般由多層薄硅鋼片疊積而成，分為平鋪和立式兩種疊片形式。本文基于將多層疊片結構等效為各向異性的單層板模型的仿真方法進行模型分析，提出磁屏蔽結構優化設計方案。

關鍵詞：變壓器;磁屏蔽;疊片形式

1 引言

電力工程上通常采用磁屏蔽結構來減少進入油箱箱壁的漏磁，從而避免產生較高的渦流損耗和磁滯損耗。磁屏蔽即在油箱內壁放置的由磁性材料板疊積而成的疊片組，一般分為平行油箱疊片和垂直油箱疊片兩種疊積方式。其屏蔽原理是利用電工鋼薄板的高導磁、低損耗性能構成磁分路，使變壓器的漏磁通的絕大部分不再經變壓器油箱而經磁屏蔽板閉合。顯然，疊積方式的不同會導致屏蔽效果以及自身產生的損耗的差異[1]。

本文討論的變壓器磁屏蔽板厚為0.5mm，片與片之間有很薄的絕緣膜，起到絕緣、防腐蝕、耐熱的作用。磁屏蔽在磁場仿真時進行必要的等效簡化：在磁屏蔽板在疊積方向上，疊片和疊片間的氣隙（包括絕緣膜）形成串聯磁阻;在與疊片平行的方向上，疊片和氣隙形成并聯磁阻?？蓪⒍鄬盈B片結構等效為一個具有各向異性參數的單層板模型。考慮到屏蔽材料的非線性特征，本文在處理各向異性問題時采用的方法是給定疊片方向和非疊片方向上的非線性B-H曲線。

相關研究表明，正確地使用變壓器油箱磁屏蔽時，變壓器油箱的渦流損耗可以明顯降低，而不恰當地使用變壓器磁屏蔽時，不僅不會取得良好的屏蔽效果，還會使得漏磁場在某些區域集中，導致該區域中結構件上渦流損耗過大，出現局部過熱現象，導致結構件溫升超標，變壓器油分解產氣，甚至造成變壓器事故[2]。因此，研究變壓器磁屏蔽，評估磁屏蔽的屏蔽效果，以及研究磁屏蔽的結構優化，具有重要的工程實踐意義。

2 疊片模型的仿真方法

2.1 疊片的磁各向異性等效處理方法

將磁屏蔽等效為一個整體，并計算其不同方向的等效磁導率。根據硅鋼片與空氣間的B、H的連續性條件，得到硅鋼疊片在疊積方向的等效磁導率如式（1）所示，非疊積方向的等效磁導率如式（2）所示。

式中，μe1為疊積方向等效磁導率，μe2為非疊積方向等效磁導率，μr為硅鋼材料的磁導率，μ0為空氣磁導率，c為硅鋼疊片的疊片系數。本文選用的硅鋼片材料的B-H曲線如圖1所示。結合圖1所示的硅鋼片的B-H曲線得到疊積方向和非疊積方向的B-H曲線如圖2所示。

2.2 Ansoft Maxwell軟件仿真疊片結構的方法

在Ansoft Maxwell軟件中設置材料時，針對材料的各向異性提供了兩種設定方法：一是如2.1所述在各個方向分別賦予考慮疊片效果后的等效磁導率，可以是線性恒值，也可以是非線性的B-H曲線;二是當要賦值的對象是由單片各向同性材料疊積而成時，可以通過直接設置疊片系數來表示疊積后材料整體的各向異性。需要指出的是，直接設定疊片系數，僅可以考慮兩個方向的各向異性即疊積方向和垂直于疊積的方向。兩種方法的原理是一樣的，只是后一種方法是由軟件程序完成各向異性等效磁導率的計算。目前第一種方法的適用范圍更廣。

3 仿真計算結果與分析

本文針對一臺箱壁放置磁屏蔽的變壓器進行二維和三維的仿真計算。通過二維模型可以清晰分析采用兩種不同疊積形式磁屏蔽時變壓器中的磁力線分布，有利于分析屏蔽的作用;而三維模型可以給出較準確的結果[3]。為了簡化計算，將變壓器簡化為包含鐵心、繞組、磁屏蔽和箱壁的結構。由于本文著重分析漏磁場對磁屏蔽和箱壁的作用，故忽略鐵心疊片的疊積形式和各向異性的特征并對鐵心進行磁導率歸一化和電導率歸一化建模[4]。同樣，計算繞組銅導線的安匝后等效為一個整體，不考慮導線本身的渦流效應。

首先對變壓器模型進行二維靜磁場仿真分析。在二維靜磁場的分析中，可以清晰的對比兩種屏蔽結構的場的分布情況。在靜磁場中比較分析兩種屏蔽結構的磁感應強度分布特點是研究屏蔽效果最簡便、有效的方法[3]。

3.1 簡化模型結構

圖3為變壓器的三維模型和相應二維平面的模型。變壓器采用雙繞組，每個芯柱上均繞制初、次級繞組，繞組材料為銅，相對磁導率μr= 1，σ=5.8×107S/m。鐵心材料的μr=4000，σ=1.03×107S/m。磁屏蔽由硅鋼片疊積而成，疊積厚度為10mm，硅鋼片密度7.7×103kg/cm3，標稱厚度0.5mm，疊片系數≥96%。變壓器箱壁材料為Q235鋼，其厚度為10mm，相對磁導率μr=200，σ=5.6×106S/m。

將圖3所示的變壓器模型進一步簡化為二維軸對稱模型，并將磁屏蔽在厚度方向上以2mm為單位分為若干部分區域，有利于得到精度可靠的剖分網格。激勵源的設置如下：線圈施加總電流，初級繞組的安匝為157635.3A，次級繞組的安匝為157669A。邊界條件設置如下：空氣區域施加氣球邊界，用來模擬磁場散磁的情況下，無窮遠處磁場為零。

3.2 磁屏蔽的屏蔽特性

圖4是兩種屏蔽結構在線圈端部的磁感應強度分布，圖中整組磁屏蔽厚度d等于8mm。可以明顯看出，平鋪結構時，磁力線在靠近線圈附近密集，磁感應強度大，并在磁屏蔽厚度方向逐漸減小。在立式結構中，磁力線在磁屏蔽的厚度方向分布均勻。這個差異是由屏蔽結構疊積形式不同造成的磁各向異性產生的。

圖5所示為兩種屏蔽結構中箱壁比較線上的磁感應強度?？梢钥闯銎戒伣Y構的磁屏蔽板在中部的磁感應強度比立式結構高出約10%。雖然是二維靜磁場中的仿真，但箱壁中的磁感應強度值的大小與實際工作時的渦流損耗密切相關，磁感應強度值的大小決定了渦流的大小，綜上，仿真結果表明立式結構的疊積磁屏蔽板更有利于降低進入箱壁的磁感應強度。

3.3 三維仿真驗證

在三維靜磁場中分析不同疊積形式磁屏蔽的屏蔽效果，與二維場的結果進行對比，驗證仿真的可靠性。圖6為平鋪結構磁屏蔽兩側面的磁感應強度，可以看出平鋪結構磁屏蔽兩側的磁感應強度不同，在磁屏蔽內側靠近線圈端部處的磁感應強度相比外側靠近油箱箱壁處要大。圖7為立式結構磁屏蔽兩側面的磁感應強度，可以看出立式結構磁屏蔽兩側的磁感應強度差別不大，在磁屏蔽厚度方向分布均勻。

4 變壓器磁屏蔽結構優化

針對使用平鋪結構磁屏蔽的變壓器，分析了兩種屏蔽放置方法的屏蔽效果。兩種放置方法的示意如圖8所示。一般情況下的變壓器平鋪結構磁屏蔽板的鋪疊方式如圖8a所示，圖中硅鋼片分成等寬的5組，隔一定距離鋪放在箱壁內表面?？偟墓桎撈瑪挡蛔儯瑢⑵浞譃?8組，分別交叉鋪放在箱壁內表面，如圖8b所示。三維靜磁場中，兩種平鋪方法箱壁上的磁感應強度分布如圖9示。在箱壁內表面上對磁感應強度進行積分，得到穿過箱壁內表面的磁通，分別是16.7 Wb和15.4 Wb?？梢娊徊驿伅B的方式有利于減少進入箱壁的磁通，材料利用率更高。

5 結論

變壓器磁屏蔽仿真分析的關鍵是疊片模型的仿真方法，多層疊片磁屏蔽在疊積方向和非疊積方向的磁特性差異可以通過各向異性的整體等效的方法實現。仿真結果可見立式結構磁屏蔽中磁感應強度在厚度方向分布均勻，且比平鋪結構箱壁中部的磁感應強度低10%。

針對平鋪結構，本文對比了交叉疊放方式與傳統疊放方法，仿真結果表明采用交叉疊放的磁屏蔽時，進入箱壁的磁通低于傳統疊片結構。

參考文獻（References）

[1]郭晶，李琳，王曉燕，等. 電力變壓器磁屏蔽模型渦流場和損耗的計算與測量[J]. 電力工程，2012，28（6）：20-26.

[2]程志光，高橋則雄，博扎德·弗甘尼，等.電氣工程電磁場模擬與應用 [M]. 北京：科學出版社，2009. 275-277.

[3]李永剛，李悅寧，程志光等. 電力變壓器中不同磁屏蔽的建模、仿真和基準化實驗驗證[J]. 電工電能新技術，2015，34（2）：61-66.

[4]趙志剛，魏 鵬，戎靜怡，等. 無取向立式磁屏蔽的性能分析和實驗研究 [J]. 電 工 電 能 新 技 術，2018，37（4）：64-70.