摘    要：變壓器的容量增加造成了漏磁的問題，對電能造成了較大的損耗，降低了變壓器的效率，基于此，針對油箱的磁通回路，設計了圓弧形屏蔽結構，采用ANSYS Maxwell軟件對圓弧形屏蔽結構及矩形屏蔽結構進行仿真分析。結果表明，圓弧形屏蔽結構相比矩形屏蔽結構可減小最大磁通密度達50%，降低最大電渦流密度達64%，且不存在邊緣磁通密度集中及電渦流聚集的現象。

關鍵詞：變壓器;漏磁;損耗;弧形屏蔽;矩形屏蔽;磁通密度;電渦流密度;

0 引言

我國各行業的發展離不開電力資源的使用，特別是在煤礦開采中，伴隨著自動化采煤技術的發展應用，對電力資源容量的需求不斷提高，且對電力供應的穩定性要求也逐漸提高。在電力資源的供應中，需要變壓器進行升降壓處理[1]，實現電力資源的高效穩定輸送。近幾年，隨著礦井對電力資源需求的增加，變壓器的容量需隨之不斷增加，造成了鐵芯繞組的磁通量密度增加，產生大量的漏磁[2]。由于漏磁現象的存在，對于變壓器的使用產生電磁波及電磁輻射，不僅危害設備的使用及安全，而且漏磁的存在引起變壓器電能的損耗，造成較大的升溫，不利于電能及設備的綜合利用[3]。采用仿真的形式對變壓器油箱的漏磁進行弧形屏蔽結構的分析，依據漏磁分布的規律改善變壓器的漏磁，提高變壓器的運行效率[4]，以及電能的利用率。

1 變壓器油箱弧形屏蔽結構的設計建模

變壓器容量的增加會造成漏磁增多，在大容量的變壓器中，造成雜散損耗，其中油箱產生的雜散損耗占據了絕大部分[5]，對變壓器的運行使用造成嚴重的影響。針對變壓器漏磁產生的影響，最簡單的方式是降低磁場的強度，這種方式無法滿足實際變壓器運行的需求。為此針對變壓器的內部結構進行優化改善[6]，從而改變漏磁磁場的方向，盡量減小漏磁磁通成為主要的方式。在結構的優化改善中，多采用屏蔽的方式進行設計，在變壓器的保護構件表面鋪設一層硅鋼片[7]，將漏磁磁通通過硅鋼片的導磁形成回路，減小對變壓器構件的影響，從而改善變壓器的漏磁現象。

變壓器的油箱漏磁損耗較大，對變壓器的使用溫度及壽命造成嚴重的影響，通過分析可知，在變壓器的油箱漏磁中，油箱后壁是產生損耗較大的區域。常規的對變壓器油箱的屏蔽方式多采用矩形的硅鋼片鋪設在油箱后壁的表面[8]，由于磁場回路環形分布的特性，采用弧形硅鋼片的形式進行變壓器油箱的屏蔽。弧形屏蔽結構將常規矩形的硅鋼片沖壓成圓弧形，保證其寬度與油箱后壁的寬度相同，將弧形硅鋼片焊接在油箱的后壁中，形成新型的弧形屏蔽結構[9]，建立常規的矩形屏蔽結構及弧形屏蔽結構的模型如圖1所示。

圖1 變壓器矩形及弧形屏蔽結構示意圖 

采用ANSYS Maxwell軟件進行變壓器屏蔽效果的仿真分析，將所建立的模型導入到ANSYS中，設定屏蔽結構的材質為50-Q130硅鋼片，油箱的材質為Q235A低碳鋼板，設定變壓器的結構以繞組的縱向軸為中心對稱[10]，不計繞組間的相互作用。采用ANSYS Maxwell四面體剖分單元對模型進行自適應剖分處理，漏磁場通過油質實現閉合，應提高油箱的剖分精度，軟件可依據模型每一步剖分的殘差進行自適應的解構，提高靜態求解的精度。

采用三相變壓器進行屏蔽作用分析，在變壓器的結構中設定繞組的材料為銅導體，對截面添加激勵電流[11]，在高壓繞組及低壓繞組中形成工作的環形電流，完成對繞組的激勵。在變壓器工作過程中，油箱內部產生一定的漏磁作用[12]，對兩種屏蔽結構在油箱上產生的磁通密度及電渦流密度進行仿真計算。

2 變壓器油箱弧形屏蔽結構仿真結果分析

采用ANSYS Maxwell軟件對兩種屏蔽結構磁密度作用進行仿真計算，得到兩種屏蔽結構的磁通密度分布如圖2所示。從圖2中可以看出，通過在油箱后壁的表面鋪設屏蔽鋼片，可將變壓器中由繞組、油箱及變壓器組成的閉合磁路改變為大部分經過繞組、變壓器油質及屏蔽結構進行閉合，減小了對油箱的作用，即屏蔽結構的磁阻作用減小了油箱的漏磁，兩種屏蔽結構對油箱后壁位置均有較好的屏蔽效果。對比兩種屏蔽結構的磁通密度分布云圖可以看到，在常規的矩形屏蔽結構中進行屏蔽處理后，在屏蔽的邊緣具有磁通密度集中的現象，而圓弧形屏蔽結構不存在這種磁通密度集中的現象，矩形屏蔽結構的最大磁場值為0.19 T，而圓弧形屏蔽結構的最大磁場值為0.11 T，圓弧形屏蔽結構可減小最大磁通密度達50%。圓弧形屏蔽結構對油箱的磁通密度具有較好的改善作用，消除了矩形屏蔽的磁通密度集中現象，并可降低最大磁通密度值50%，減小了油箱的漏磁及溫升作用。

圖2 油箱磁通密度分布云圖 

采用ANSYS Maxwell軟件對兩種屏蔽結構電渦流作用進行仿真計算，得到兩種屏蔽結構的電渦流分布如圖3所示。從圖3中可以看出，采用矩形屏蔽結構對油箱的漏磁具有一定的改善作用，但由于屏蔽邊緣磁通密度集中造成屏蔽邊緣具有較強的電渦流聚集，容易造成局部的高溫區，對變壓器的效率改善作用不大；采用圓弧形屏蔽結構得到電渦流分布從中間逐漸過渡到兩側，沒有電渦流聚集的現象，油箱的溫度變化均勻，降低了電渦流密度，對變壓器的損耗較小，降低了最高點的溫度，可有效地改善變壓器的效率。矩形屏蔽結構的最大電渦流密度為1 119 kA/m2，弧形屏蔽結構的最大電渦流密度為400 kA/m2，可降低最大電渦流密度達64%，同時采用圓弧形的結構布置，同樣的長度及寬度上的屏蔽結構，弧形屏蔽結構的表面積要大于矩形結構，能夠有效地降低漏磁，并且降低了油箱的電渦流損耗，提高了變壓器的效率。

圖3 油箱電渦流密度分布云圖

3 結語

變壓器是煤礦開采輸配電系統中必備的元件，隨著開采自動化程度的提高，對供電系統的容量及穩定性要求不斷提高，變壓器的容量也隨之不斷增加，由此帶來的漏磁成為變壓器使用的重要問題。變壓器油箱的漏磁是造成變壓器效率較低及損耗較大的主要位置，針對變壓器的油箱漏磁采用增加硅鋼片屏蔽結構的方式改善漏磁問題。依據變壓器油箱的磁通回路分布，設計了圓弧形屏蔽結構，并采用仿真計算的形式對圓弧形屏蔽結構的效果進行分析，并與常規的矩形屏蔽結構進行對比。經過ANSYS Maxwell軟件對油箱的磁通密度及電渦流密度的仿真計算，結果表明，兩種屏蔽結構均可改善油箱的漏磁，圓弧形屏蔽結構相比矩形屏蔽結構可減小最大磁通密度達50%，降低最大電渦流密度達64%，且不存在邊緣磁通密度集中及電渦流聚集的現象。采用弧形屏蔽結構對變壓器的漏磁具有較好的改善作用，可降低變壓器的溫升及損耗，提高變壓器的效率，保證煤礦開采用電的容量及穩定性。

參考文獻

[1] 鄧永清，阮江軍，董旭柱，等.基于自適應網格控制的10 k V油浸式變壓器多物理場仿真計算[J].高電壓技術，2022(8):1-10.

[2] 陳于晴，劉靜，黃青丹，等.基于植物油和礦物油的10 k V油浸變壓器外部熱源耐火實驗[J].消防科學與技術，2021,40(11):1 589-1 593.

[3] 張建英，郭紅兵，荀華，等.基于附加銅耗占負載損耗比例的電力變壓器銘牌容量失真判別方法[J].內蒙古電力技術，2022,40(1):58-62.

[4] 趙強.勵磁涌流引起變壓器過電流保護動作的原因分析與措施[J].電氣化鐵道，2021,32(S1):108-113.

[5] 高鴻鵬，咸日常，孫曉維，等.配電變壓器接線組別對雷電耐受能力的影響分析[J].現代電子技術，2022,45(3):148-153.

[6] 黃軍凱，張迅，劉君，等.基于粒子群優化算法的變壓器故障診斷研究[J].信息系統工程，2021(11):141-144.

[7] 許中平，趙峰，李守超，等.基于變壓器振動信號的電能質量特征基提取方法[J].變壓器，2022,59(1):34-39.

[8] 劉建樹，孫立濤，徐鵬程.基于電磁-機械順序耦合的變壓器直流擾動振動特性研究[J].電氣技術，2022,23(1):21-28.

[9] 朱明，朱嘉慧，陳息坤，等.基于理想變壓器的耦合電感和實際變壓器模型[J].電工技術，2022(1):34-41.

[10] 劉鐵男，盧巖，魏國文，等.基于GB 20052—2020標準下變壓器經濟運行的能耗對比分析[J].現代建筑電氣，2022,13(1):14-18.

[11] 江嘉銘，鐘業榮，阮國恒.基于圖像識別與語音交互的變壓器發熱缺陷檢測系統設計[J].自動化與儀器儀表，2022(2):214-218.

[12] 伍志榮，萬達，劉睿.大型自耦變壓器和換流變壓器局部放電脈沖特征及實例分析[J].變壓器，2022,59(2):24-32.

文章來源：機械管理開發