電力變壓器油箱磁屏蔽效果仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王蘊(yùn) 郝寶良 張猛

摘 要：電力工程上通常采用磁屏蔽來(lái)減少進(jìn)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(jié)構(gòu)等效為各向異性的單層板模型的仿真方法進(jìn)行模型分析，提出磁屏蔽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

關(guān)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(jié)構(gòu)來(lái)減少進(jìn)入油箱箱壁的漏磁，從而避免產(chǎn)生較高的渦流損耗和磁滯損耗。磁屏蔽即在油箱內(nèi)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(dǎo)磁、低損耗性能構(gòu)成磁分路，使變壓器的漏磁通的絕大部分不再經(jīng)變壓器油箱而經(jīng)磁屏蔽板閉合。顯然，疊積方式的不同會(huì)導(dǎo)致屏蔽效果以及自身產(chǎn)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(chǎng)仿真時(shí)進(jìn)行必要的等效簡(jiǎn)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(lián)磁阻;在與疊片平行的方向上，疊片和氣隙形成并聯(lián)磁阻?？蓪⒍鄬盈B片結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)具有各向異性參數(shù)的單層板模型?？紤]到屏蔽材料的非線性特征，本文在處理各向異性問(wèn)題時(shí)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(guān)研究表明，正確地使用變壓器油箱磁屏蔽時(shí)，變壓器油箱的渦流損耗可以明顯降低，而不恰當(dāng)?shù)厥褂米儔浩鞔牌帘螘r(shí)，不僅不會(huì)取得良好的屏蔽效果，還會(huì)使得漏磁場(chǎng)在某些區(qū)域集中，導(dǎo)致該區(qū)域中結(jié)構(gòu)件上渦流損耗過(guò)大，出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件溫升超標(biāo)，變壓器油分解產(chǎn)氣，甚至造成變壓器事故[2]。因此，研究變壓器磁屏蔽，評(píng)估磁屏蔽的屏蔽效果，以及研究磁屏蔽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具有重要的工程實(shí)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(gè)整體，并計(jì)算其不同方向的等效磁導(dǎo)率。根據(jù)硅鋼片與空氣間的B、H的連續(xù)性條件，得到硅鋼疊片在疊積方向的等效磁導(dǎo)率如式（1）所示，非疊積方向的等效磁導(dǎo)率如式（2）所示。

式中，μe1為疊積方向等效磁導(dǎo)率，μe2為非疊積方向等效磁導(dǎo)率，μr為硅鋼材料的磁導(dǎo)率，μ0為空氣磁導(dǎo)率，c為硅鋼疊片的疊片系數(shù)。本文選用的硅鋼片材料的B-H曲線如圖1所示。結(jié)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(jié)構(gòu)的方法

在Ansoft Maxwell軟件中設(shè)置材料時(shí)，針對(duì)材料的各向異性提供了兩種設(shè)定方法：一是如2.1所述在各個(gè)方向分別賦予考慮疊片效果后的等效磁導(dǎo)率，可以是線性恒值，也可以是非線性的B-H曲線;二是當(dāng)要賦值的對(duì)象是由單片各向同性材料疊積而成時(shí)，可以通過(guò)直接設(shè)置疊片系數(shù)來(lái)表示疊積后材料整體的各向異性。需要指出的是，直接設(shè)定疊片系數(shù)，僅可以考慮兩個(gè)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(dǎo)率的計(jì)算。目前第一種方法的適用范圍更廣。

3 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

本文針對(duì)一臺(tái)箱壁放置磁屏蔽的變壓器進(jìn)行二維和三維的仿真計(jì)算。通過(guò)二維模型可以清晰分析采用兩種不同疊積形式磁屏蔽時(shí)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(zhǔn)確的結(jié)果[3]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將變壓器簡(jiǎn)化為包含鐵心、繞組、磁屏蔽和箱壁的結(jié)構(gòu)。由于本文著重分析漏磁場(chǎng)對(duì)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(duì)鐵心進(jìn)行磁導(dǎo)率歸一化和電導(dǎo)率歸一化建模[4]。同樣，計(jì)算繞組銅導(dǎo)線的安匝后等效為一個(gè)整體，不考慮導(dǎo)線本身的渦流效應(yīng)。

首先對(duì)變壓器模型進(jìn)行二維靜磁場(chǎng)仿真分析。在二維靜磁場(chǎng)的分析中，可以清晰的對(duì)比兩種屏蔽結(jié)構(gòu)的場(chǎng)的分布情況。在靜磁場(chǎng)中比較分析兩種屏蔽結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布特點(diǎn)是研究屏蔽效果最簡(jiǎn)便、有效的方法[3]。

3.1 簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)

圖3為變壓器的三維模型和相應(yīng)二維平面的模型。變壓器采用雙繞組，每個(gè)芯柱上均繞制初、次級(jí)繞組，繞組材料為銅，相對(duì)磁導(dǎo)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(biāo)稱厚度0.5mm，疊片系數(shù)≥96%。變壓器箱壁材料為Q235鋼，其厚度為10mm，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=200，σ=5.6×106S/m。

將圖3所示的變壓器模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)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(qū)域，有利于得到精度可靠的剖分網(wǎng)格。激勵(lì)源的設(shè)置如下：線圈施加總電流，初級(jí)繞組的安匝為157635.3A，次級(jí)繞組的安匝為157669A。邊界條件設(shè)置如下：空氣區(qū)域施加氣球邊界，用來(lái)模擬磁場(chǎng)散磁的情況下，無(wú)窮遠(yuǎn)處磁場(chǎng)為零。

3.2 磁屏蔽的屏蔽特性

圖4是兩種屏蔽結(jié)構(gòu)在線圈端部的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)時(shí)，磁力線在靠近線圈附近密集，磁感應(yīng)強(qiáng)度大，并在磁屏蔽厚度方向逐漸減小。在立式結(jié)構(gòu)中，磁力線在磁屏蔽的厚度方向分布均勻。這個(gè)差異是由屏蔽結(jié)構(gòu)疊積形式不同造成的磁各向異性產(chǎn)生的。

圖5所示為兩種屏蔽結(jié)構(gòu)中箱壁比較線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度?？梢钥闯銎戒伣Y(jié)構(gòu)的磁屏蔽板在中部的磁感應(yīng)強(qiáng)度比立式結(jié)構(gòu)高出約10%。雖然是二維靜磁場(chǎng)中的仿真，但箱壁中的磁感應(yīng)強(qiáng)度值的大小與實(shí)際工作時(shí)的渦流損耗密切相關(guān)，磁感應(yīng)強(qiáng)度值的大小決定了渦流的大小，綜上，仿真結(jié)果表明立式結(jié)構(gòu)的疊積磁屏蔽板更有利于降低進(jìn)入箱壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3.3 三維仿真驗(yàn)證

在三維靜磁場(chǎng)中分析不同疊積形式磁屏蔽的屏蔽效果，與二維場(chǎng)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真的可靠性。圖6為平鋪結(jié)構(gòu)磁屏蔽兩側(cè)面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以看出平鋪結(jié)構(gòu)磁屏蔽兩側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，在磁屏蔽內(nèi)側(cè)靠近線圈端部處的磁感應(yīng)強(qiáng)度相比外側(cè)靠近油箱箱壁處要大。圖7為立式結(jié)構(gòu)磁屏蔽兩側(cè)面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以看出立式結(jié)構(gòu)磁屏蔽兩側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)使用平鋪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)表面?？偟墓桎撈瑪?shù)不變，將其分為18組，分別交叉鋪放在箱壁內(nèi)表面，如圖8b所示。三維靜磁場(chǎng)中，兩種平鋪方法箱壁上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖9示。在箱壁內(nèi)表面上對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行積分，得到穿過(guò)箱壁內(nèi)表面的磁通，分別是16.7 Wb和15.4 Wb?？梢?jiàn)交叉鋪疊的方式有利于減少進(jìn)入箱壁的磁通，材料利用率更高。

5 結(jié)論

變壓器磁屏蔽仿真分析的關(guān)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(guò)各向異性的整體等效的方法實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果可見(jiàn)立式結(jié)構(gòu)磁屏蔽中磁感應(yīng)強(qiáng)度在厚度方向分布均勻，且比平鋪結(jié)構(gòu)箱壁中部的磁感應(yīng)強(qiáng)度低10%。

針對(duì)平鋪結(jié)構(gòu)，本文對(duì)比了交叉疊放方式與傳統(tǒng)疊放方法，仿真結(jié)果表明采用交叉疊放的磁屏蔽時(shí)，進(jìn)入箱壁的磁通低于傳統(tǒng)疊片結(jié)構(gòu)。

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