1 簡介

電力變壓器是電力系統中最重要、最昂貴的設備之一。近幾十年來，隨著電力需求的不斷增長，電力變壓器的容量也有了較大的提高。在大容量下，雜散損耗現象已成為一個顯著的特征。負載雜散損耗是由于繞組通過電流產生的磁通造成的。這些損耗取決于漏磁通的數量和強度、磁導率以及金屬結構的電阻率，也取決于金屬結構與漏磁激勵源之間的距離。金屬結構中的這種過多的雜散損耗會導致危險的局部過熱。

如果不進行適當的評估和控制，雜散損耗將占到總負載損耗的主要部分(20-25%)。雖然變壓器是最節能的設備，但控制雜散損耗將進一步提高散熱效率，這會使變壓器性能更佳、成本更低、高性價比和壽命更長。

變壓器的雜散損耗包括繞組的雜散損耗(渦流損耗、循環電流損耗)和腹板、拉板、箱壁等結構件的雜散損耗。本文主要研究如何減少結構件的雜散損耗。為了減少雜散損耗，磁通的徑向分量被認為是一個重要的因素。雜散磁通從繞組徑向分離，向外在變壓器箱壁內產生渦流損耗，向內進入鐵心上的拉板。雜散損耗和更大的溫升就是由法向進入結構件表面的漏磁通引起的。

主要采用電磁屏蔽(磁分路)和渦流屏蔽(銅或鋁屏蔽)兩種方法來減小雜散損耗。磁分路是一種鐵芯疊片，它吸引漏磁通，并引導它通過變壓器的鐵芯，因此保持它遠離實體金屬部件。在渦流屏蔽中，屏蔽體的表面產生電流，從而阻止磁通進入，減少金屬結構件的損耗。

在最近時期，已經有大量的關于降低電力變壓器雜散損耗的研究，以上提到的只有一種屏蔽。在這項工作中使用的前沿設計是在變壓器中使用屏蔽組合，以大幅度降低損耗。通常，在電力變壓器中使用銅屏蔽或箱壁磁分路來降低雜散損耗。然而，使用磁分路和銅屏蔽的組合，通過仔細地布置它們，可使雜散損耗減少60%。

為了提高變壓器的散熱性能，降低雜散損耗，本文提出了采用磁分路和渦流屏蔽等雜散損耗降低措施的組合。分析了不同金屬結構材料及其對熱點溫度的影響。本文利用Dirichlet邊界條件研究了結構部件的性能和參數。本工作使用三維(3d)有限元法(FEM)分析雜散損耗和熱點溫度。

2?案例研究

對一臺額定容量為315MVA，電壓比420/27kV的單相發電機電力變壓器進行了研究。變壓器1/2模型如圖1所示。這項工作所示結果為變壓器一半的模型，因此，變壓器總損耗將是(考慮到沿z平面對稱)所得值的兩倍。

箱壁、拉板和夾件選用了非線性低碳鋼材料。低碳鋼為鐵磁材料，在結構件表面可施加“表面阻抗邊界條件”。變壓器絞線圈的繞組模型是根據匝數和線圈面積建立的。拉板設計了三道開槽，板厚為20mm。夾件模型為空心鋼管。在這項工作中，我們忽略了繞組分接、套管和引線的影響。同時，忽略了鐵心最末級的損耗。為精確地進行有限元分析，給出了適當的網格剖分值。

使用電磁有限元軟件MagNet求解本文分析的問題。該軟件允許涉及到渦流的三維分析，并給出所有導電元件中的損耗分布。這些損耗可以在ThermNet (FEM)軟件中讀取，以評估所有導電部件的溫升。ThermNec可以求解涉及傳導、對流和輻射的散熱問題。在進行溫度分析時，給出導熱部件的“環境溫度邊界條件”以及表面與環境之間的導熱系數。對于從金屬到油的傳熱，假設其值為70。對變壓器模型進行了三維時諧場耦合分析，以估算雜散損耗和熱點溫度。

圖1  MagNet軟件中采用夾緊結構的變壓器半模型 (未顯示油箱前壁)

表1   無屏蔽措施的變壓器模型耦合分析結果

                    油箱壁          拉板              夾件

雜散損耗kW      7.28               3.56                 2.34

熱點溫度 °C      85.18             160.98             87.17

3?方法

一般來說，電磁分路分為箱壁磁分路(垂直分流)和鐵軛分路(水平分流)。常用的磁分路用來控制雜散損耗。磁分路有兩種設計：板式磁分路和立式磁分路，立式磁分路效果更佳。渦流屏蔽是另一種適用于異型油箱的磁通抵消技術。然而，這種方法的缺點是在屏蔽體內部產生渦流損耗，并且被屏蔽排斥的磁通會導致附近結構件過熱。

屏蔽尺寸的變化將對雜散損耗降低產生顯著影響。根據變壓器的設計和減少雜散損耗的要求，也可以采用屏蔽組合。造成雜散損耗的主要結構部件是箱壁、夾件和拉板。采用箱壁磁分路可以減少箱壁的雜散磁通。采用夾件磁分路可以減少夾件中的雜散磁通。拉板作為最重要的結構部件，其溫度也較高。由于拉板位于漏磁通較高的區域附近，因此在設計拉板時必須小心謹慎。對不同材料的拉板設計進行了模擬，并探討了一種新型磁分路來減小拉板中的熱點。

通過改變設計參數，如屏蔽的高度和寬度、與繞組間距離、優化屏蔽的變壓器模型。此外，還在變壓器中模擬和分析了磁分路和銅屏蔽的不同組合。

這項工作利用集膚深度和坡印亭矢量來計算雜散損耗。集膚深度由公式給出：

                    (1)

其中，μ是材料磁導率，σ是材料的導電性，ω是電源頻率。表面阻抗由坡印亭矢量計算，由下式給出：

        (2)

其中E是電場的切向分量，H是磁場的切向分量。利用集膚深度和表面阻抗，可以評估整個金屬結構件的雜散損耗。雜散損耗的表面密度由下式得出：

            (3)

由下式關系式將得到的雜散損耗轉化為熱源。

                (4)

式中，J為電流密度，Q為熱源體積密度。一般來說，變壓器中的溫升是由于傳導和對流。傳導的基本方程是

         (5)

其中，λ為材料的導熱系數，T為溫度。

對流的基本方程是

     (6)

式中，h為對流換熱系數，Ta為遠離箱壁的流體溫度，T為箱壁的溫度。由上述基本方程可以得到變壓器的電磁熱耦合分析。

4 結果

在三維時諧電磁分析中，變壓器模型在MagNet中求解，在熱分析軟件ThermNet中耦合求解。在這項工作中忽略了繞組渦流損耗。采用無屏蔽措施的變壓器模型得到的結果如表1所示。

由表1可知，得到的總損耗為13.2 kW。由圖2可以看出，箱壁正對繞組的表面的漏磁密度較大。如圖3所示，在拉板表面得到的磁通密度比在箱壁表面的磁通密度高好幾倍。

圖2  箱壁磁通密度圖

圖3 拉板磁通密度圖

從圖4中可以觀察到，超過繞組高度的拉板邊緣溫度達到了最大160°C。這些熱點和雜散磁通可以通過下面建議的組合屏蔽措施加以改善。

4.1 常見的防護措施

箱壁磁分路：在本研究中，分路所用材料是具有線性各向異性磁導率的電工鋼帶。在分析中設計了10個箱壁分路。在這種變壓器模型中，使用高度足夠大于繞組高度的箱壁分路來覆蓋磁通有功區域。得到帶有箱壁分路的變壓器模型耦合分析結果如表2所示。

由表2可知，采用箱壁磁分路后，箱壁損耗明顯減少。箱壁的熱點也得到了很大程度的減少，但這對拉板的熱點并沒有顯著的影響。圖5顯示了雜散磁通被箱壁磁分路吸收，而不是進入油箱壁。

4.1.渦流屏蔽

渦流屏蔽一般采用鋁板或銅板。在變壓器模型中設計的銅屏蔽厚度為20mm，大于穿透深度，導電率為5.77×10⁷S/m。屏蔽放置在器身磁通的區域(即在油箱壁正對繞組部分，分別對應繞組上部和下部對應的油箱蓋和箱底)。采用銅屏蔽的變壓器模型耦合分析結果如表3所示。

在變壓器模型中建立了厚度為20mm、導電率為3.87×10⁷ S/m的鋁屏蔽，結果如表4所示。通過對比表3和表4可以看出，兩種材料對雜散損耗和熱點的降低幾乎相同。

電磁屏蔽排斥磁通導致附近結構件過熱。這可以從結果中看出，有屏蔽的夾件溫度提高到89℃，而沒有屏蔽措施的夾件溫度為87℃。

通過比較箱壁磁分路和電磁屏蔽的結果，可以發現磁分路比電磁屏蔽能更好的降低雜散損耗和熱點溫度。

4.2 組合屏蔽措施

針對受熱點影響最嚴重的夾緊結構，本文對不同的屏蔽組合進行了建模和分析，以降低其中的熱點。

4.2.1夾件熱點溫度降低

通過使用夾件磁分路(水平磁分路)來減少夾件熱點。在本工作中設計的夾件磁分路是階梯式的，這樣它就能覆蓋繞組上方和下方的大部分區域，它們放在鐵軛或夾件的下方。放置在變壓器底部的夾件磁分路比放置在頂部的夾件磁分路有更高的截面積。通過比較帶和不帶夾件磁分路的耦合分析結果，可以研究夾件磁分路的影響，如表5所示。

從表5中可以看出，沒有夾件磁分路的夾件中的熱點為87℃，而有夾件磁分路的夾件中的熱點減少了近7℃。圖6描繪了夾件磁分路的磁通密度圖。通過組合使用箱壁磁分路和夾件磁分路，可以控制徑向磁通，有效地減少箱壁和夾件的熱點。從表6中可以明顯看出，使用箱壁磁分路和夾件磁分路組合可以更好地降低熱點。

4.2.2 拉板熱點降低:

可以觀察到，拉板的損耗約占結構部件雜散損耗總量的30%，而拉板邊緣的溫度較高。因此，減少拉板的損耗是非常重要的。這可以通過兩種方式實現。一是通過合理設計拉板，二是采用復合屏蔽。

如果拉板設計不當，就會產生大量的雜散損耗，從而達到更高的溫度。因此，拉板開槽和材料選用是非常必要的。

本案例研究采用三個開槽的拉板。為了減少雜散損耗，需要仔細選擇拉板的材料。表7為所要使用的拉板材料對比表。用不銹鋼作拉板的材料，溫度比低碳鋼大大地提高。

為了有效地減少拉板的熱點和雜散損耗，必須對拉板進行屏蔽。這可以通過在鐵心柱的拉板旁放置磁分路來實現，我們稱之為心柱分路。這些磁分路分流了部分雜散磁通，從而減少了雜散磁通垂直進入拉板的數量。心柱分路被放置在緊靠拉板的鐵心的末級上，在繞組的上方和下方。

如圖7所示，放置在鐵心末級上的磁分路與拉板之間有足夠的間距。模擬心柱磁分路的深度，使其大于夾件的厚度。本案例中，設計的心柱磁分路厚度為40mm，而夾件厚度為20mm。此外，在心柱磁分路之間設置了縫隙。這里，我們在拉板的兩側分別設計了三個心柱磁分路，放在繞組的上面和下面。

表2 帶箱壁磁分路的變壓器模型耦合分析結果

                    油箱壁          拉板              夾件

雜散損耗kW     1.33               3.33                 1.41

熱點溫度 °C     71.91             156.23             82.21

表3 帶銅屏蔽的變壓器模型耦合分析結果

                    油箱壁      拉板        夾件       屏蔽

雜散損耗kW     5.16         3.49          2.56         0.30

熱點溫度 °C    74.98       159.13     89.42      71.26

表4 帶鋁屏蔽的變壓器模型耦合分析結果

                    油箱壁       拉板        夾件        屏蔽

雜散損耗kW     5.13         3.52         2.56          0.38

熱點溫度 °C      74.88      160.26      89.43       72.21

圖4變壓器結構件溫度分布圖

圖5    放置在箱壁繞組前的磁分路的磁通密度圖

表5     有夾件磁分路和無夾件磁分路的比較結果

                           無夾件磁分路   有夾件磁分路

夾件中雜散損耗kW     2.34                 1.41

夾件中熱點溫度 °C      87.17            79.92

表6     帶有箱壁和夾件磁分路的變壓器耦合分析結果

                      油箱壁          拉板              夾件 

雜散損耗kW     1.81               3.25                 1.03

熱點溫度 °C      71.11             155.33            75.81

表7     拉板材料比較

                     不銹鋼                  低碳鋼

雜散損耗kW     5.43                     3.56

熱點溫度 °C    232.76                 160.08

圖6    夾件磁分路吸收雜散漏磁

圖7放在拉板旁邊的心柱磁分路

通過鐵軛磁分路、箱壁磁分路和心柱磁分路的組合，雜散損耗顯著降低，如表8所示。對比帶與不帶心柱磁分路的結果，熱點溫度降低20℃。由圖8可以看出，進入拉板的一部分雜散磁通繞過拉板進入了心柱磁分路。同樣，從圖9可以明顯看出，在采用心柱磁分路后，拉板邊緣的熱點溫度降至137℃。通過改變心柱磁分路的寬度和厚度，它吸收的雜散磁通也會發生變化。根據降低拉板熱點的要求，可以對心柱磁分路的寬度和厚度進行建模和優化。

圖8    心柱磁分路的變壓器模型截面磁通密度圖

圖9   組合屏蔽措施的變壓器模型溫度圖

表8     變壓器屏蔽組合模型的耦合分析結果

                      油箱壁          拉板              夾件 

雜散損耗kW     1.1                  2.74                 0.89

熱點溫度 °C      70.72             137.29            76.95

表9    變壓器模型不同屏蔽組合比較

                      總的雜散損耗kW        熱點溫度  °C

                                             油箱壁     拉板       夾件 

沒有屏蔽                     13.18    85.18    87.17    160.98

有箱壁磁分路                6.07     71.91    82.21    156.23

有銅屏蔽                     11.51    74.88    89.43     160.26

箱壁磁分路和銅屏蔽      5.71     72.01    75.88     155.67

箱壁和夾件磁分路         6.09     71.11    75.81     155.33

箱壁.夾件和心柱磁分路  4.73     70.72    76.95     137.29

5 比較

對于不同的屏蔽組合，所得結果如表9所示。通過改變高度、寬度等參數，對變壓器模型進行屏蔽優化設計。從表9可以看出，采用不同的屏蔽組合后，結構件的熱點和雜散損耗大大降低。

圖10和圖11說明了有和沒有屏蔽組合的結果的差異。在圖10中，在變化的負載電流下得到的雜散損耗范圍為4到15kW (整個變壓器的一半)。可以推斷，對于更高的負載下，屏蔽組合(即箱壁磁分路、夾件磁分路和心柱磁分路)將大幅降低損耗。圖11中的溫度為變壓器中拉板的熱點溫度。

6 結論

模型中的變壓器的所有疊積部分都不導電。本案例中得到的雜散損耗低于設計/測量值。這可能是由于忽略了套管和引線的影響、繞組渦流、繞組中的循環電流和漏磁通下鐵心末級的額外損耗。

研究表明，磁分路比鋁或銅屏蔽能更好地降低雜散損耗。用夾件磁分路，夾件中的熱點大大降低。并推導出低碳鋼拉板比不銹鋼拉板具有更低的雜散損耗。為了減少拉板中出現的熱點問題，研制了一種新型磁分路，即心柱磁分路。這項工作強調了在電力變壓器的金屬結構中組合屏蔽的重要性，以防止過熱危險。根據雜散損耗降低百分比的要求，可采用組合屏蔽。

圖10有無組合屏蔽措施時雜散損耗的比較

圖11有無組合屏蔽措施的熱點對比