大容量變壓器低壓引線過熱分析

西門子變壓器（武漢）有限公司 谷占坤

變壓器運(yùn)行時(shí)，變壓器內(nèi)部的交變磁場(chǎng)會(huì)在線圈、鐵心、鐵心片、油箱等結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生附加損耗，這些損失最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，其中一部分熱量提高了各部件的溫度，而另一部分熱量則通過部件附近的冷卻介質(zhì)散出去。變壓器通常是按20年使用時(shí)間來設(shè)計(jì)，其中絕緣材料的壽命直接影響變壓器的使用時(shí)間。油浸式變壓器絕緣材料的耐熱等級(jí)是A級(jí),其長期工作溫度不得超過105℃。根據(jù)GB/T 15164-1994《油浸式電力變壓器負(fù)荷導(dǎo)則》，變壓器絕緣的熱老化壽命以熱點(diǎn)溫度98℃為基礎(chǔ)，當(dāng)溫度升高6℃時(shí)老化速率增加1倍，當(dāng)溫度降低6℃時(shí)壽命降低一半[1]。

由此可見，變壓器設(shè)計(jì)時(shí)各部件溫升是必須要考慮的問題，它不僅關(guān)系到變壓器的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行壽命，還將影響到變壓器的安全運(yùn)行。GB 1094.2-1996《電力變壓器溫升》對(duì)變壓器的溫升限值做了明確規(guī)定。其中油浸式變壓器規(guī)定：頂層油溫升60K；繞組平均溫升65K[2]。對(duì)于鐵芯、繞組外的電氣連接件和油箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件雖然沒有規(guī)定溫升限值，但仍要求溫升不宜過高，一般不超過80K，以免對(duì)相鄰部件造成熱損傷或油過度老化[3]。如果引線電流過大，大電流會(huì)在附近產(chǎn)生較大的漏磁場(chǎng)，造成其周圍的金屬部件內(nèi)部損耗密度過高，從而引起局部過熱。為減少這部分損耗、消除局部過熱，變壓器油箱內(nèi)通常焊接磁屏蔽（由高導(dǎo)磁材料組成）或電磁屏蔽（由高電導(dǎo)率材料組成）。

1 磁屏蔽

電磁屏蔽是抑制以場(chǎng)的形式形成的干擾的有效方法。所謂電磁屏蔽就是用一定形狀的材料（導(dǎo)電材料或磁性材料）將被屏蔽的區(qū)域密封起來，形成電磁隔離，即內(nèi)部的電磁場(chǎng)不能走出這個(gè)區(qū)域，而外部輻射電磁場(chǎng)也不能進(jìn)入該區(qū)域，或者出該區(qū)域的電磁能量被大大衰減[4]。電磁屏蔽按屏蔽原理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽與電磁場(chǎng)屏蔽。電場(chǎng)屏蔽包括靜電場(chǎng)屏蔽與交變電場(chǎng)屏蔽；磁場(chǎng)屏蔽分為恒定磁場(chǎng)屏蔽和交變磁場(chǎng)屏蔽。

恒定磁場(chǎng)屏蔽的原理是利用了高磁導(dǎo)率材料的低磁阻特性，當(dāng)導(dǎo)磁材料周圍有磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)優(yōu)先通過磁電阻較小的路徑而不擴(kuò)散到周圍空間，從而對(duì)周圍起到屏蔽作用。因?yàn)榇帕€是一條連續(xù)的閉合曲線，所以我們可以把磁通量形成的閉合回路稱為磁路，由磁路理論可知Um=RmΦm，式中Um是磁路兩點(diǎn)之間的磁位差（A），Φm為是通過磁路的磁通量（Wb），Rm是磁路中兩點(diǎn)之間的磁阻：

如果磁路的橫截面S是均勻的而磁場(chǎng)也是均勻的，則上述公式可簡化為：

式中μ為材料磁導(dǎo)率（H/m），S為磁路截面積（m2）,l為磁路長度（m）。從公式中可以看出，當(dāng)兩點(diǎn)間的磁勢(shì)差Um一定時(shí)，磁阻Rm越小磁通量Φm越大；從上面的公式可看出，Rm與μ成反比，磁導(dǎo)率μ越大而磁阻Rm越小，此時(shí)磁通量主要通過磁阻小的媒質(zhì)形成磁路。因?yàn)榇判圆牧系拇艑?dǎo)率μ比空氣的磁導(dǎo)率大，所以磁性材料的磁阻很小，當(dāng)磁性材料置于磁場(chǎng)中時(shí)，磁通量主要通過磁性材料，而通過空氣的磁通量則很少，從而起到磁場(chǎng)屏蔽的作用。磁屏蔽材料的磁阻與材料的磁導(dǎo)率成反比。磁導(dǎo)率越大磁阻則越小。因此，鐵、硅鋼和坡莫合金等鐵磁性材料通常用于磁屏蔽。采用磁屏蔽時(shí)，屏蔽越厚、磁導(dǎo)率越高、磁阻則越小，屏蔽效果也就越好；制作屏蔽罩時(shí)，開口和縫隙不應(yīng)該割斷磁力線，否則就增加了屏蔽的磁阻，從而降低了磁屏蔽的屏蔽效果[5]。

在交變電磁場(chǎng)中，電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量是共存的，但在低頻電磁場(chǎng)中，一般干擾發(fā)生在近場(chǎng)，而在近場(chǎng)中，根據(jù)干擾源的特性不同其電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量也會(huì)不同。高電壓小電流主要產(chǎn)生電場(chǎng)，其中的磁場(chǎng)分量則可忽略不計(jì)。低電壓大電流的干擾源則主要產(chǎn)生磁場(chǎng)，其電場(chǎng)分量可以忽略不計(jì)，對(duì)其屏蔽時(shí)可只屏蔽磁場(chǎng)。高頻磁場(chǎng)的屏蔽是用銅、鋁等低電阻率的良導(dǎo)體材料制成的，屏蔽原理是利用屏蔽體表面磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的渦流的反磁場(chǎng)來屏蔽，即利用渦流反磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)的反向作用來抵消原磁場(chǎng)[6]。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于通過環(huán)路的磁通量的時(shí)間變化率。根據(jù)倫茨定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通量反過來會(huì)阻止原來磁通量的變化，也就是感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通量方向與原磁通量變化的方向相反。當(dāng)高頻磁場(chǎng)通過金屬板時(shí)，金屬板中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而形成環(huán)行電流即渦流。金屬板中渦流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)將抵消金屬板的原始磁場(chǎng)，這就是感應(yīng)渦流產(chǎn)生的反磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)的排斥作用，但感應(yīng)渦流產(chǎn)生的反磁場(chǎng)磁力線繞過金屬板的側(cè)面，也就增強(qiáng)了金屬板側(cè)面的磁場(chǎng)[7]。

2 變壓器的電磁場(chǎng)

麥克斯韋方程組概括了宏觀電磁現(xiàn)象的其本規(guī)律與特性。其微分形式如下：Δ×H=J+(?D/?t)，Δ×E=-(?B/?t)，Δ×B=0，Δ×D=ρ。媒質(zhì)特性構(gòu)成方程組為：D=εE、B=μH、Jc=γE。從公式可看出,時(shí)變電磁場(chǎng)的變化率較高時(shí),就必須同時(shí)考慮磁場(chǎng)變化（?B/?t）產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)和電場(chǎng)變化（?D/?t）產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)。此時(shí)，時(shí)變電場(chǎng)與時(shí)變磁場(chǎng)相互制約、相互依賴，這種時(shí)變電磁場(chǎng)通常稱為動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)。在動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)中，根據(jù)激勵(lì)源的頻率可分為高頻電磁場(chǎng)和低頻電磁場(chǎng)。

對(duì)于低頻電磁場(chǎng)，由于電磁場(chǎng)隨時(shí)間t變化緩慢，可忽略方程組中的?B/?t和?D/?t，簡化計(jì)算過程而不影響工程計(jì)算精度。簡化后的電磁場(chǎng)具有恒定電磁場(chǎng)的特性，稱為準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)。根據(jù)被忽略的?B/?t和?D/?t項(xiàng)，對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)可進(jìn)一步分為電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)和磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。時(shí)變磁場(chǎng)的激發(fā)源為傳導(dǎo)電流密度Jc(t)和位移電流密度Jd=?D/?t。在低頻電磁場(chǎng)中，若Jd<

變壓器工作在50Hz或60Hz，是典型的低頻電器，內(nèi)部電磁場(chǎng)可看作準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)可看作磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，對(duì)其漏磁場(chǎng)的屏蔽可按恒定磁場(chǎng)去處理，選用低磁阻高磁導(dǎo)率的鐵磁材料引導(dǎo)磁場(chǎng)按設(shè)計(jì)路徑環(huán)流。又因?yàn)榇艤?zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)同時(shí)又具有時(shí)變磁場(chǎng)的特性，如上式所對(duì)應(yīng)的時(shí)變電場(chǎng)，可選用高電導(dǎo)率材料產(chǎn)生的渦流來屏蔽變壓器漏磁場(chǎng)。目前變壓器內(nèi)部使用的磁屏蔽主要由這兩種屏蔽組成。

3 相關(guān)內(nèi)容及處理方案

3.1 基本情況

此產(chǎn)品為出口美國的一臺(tái)變壓器，型號(hào)為SFP-607MVA/345kV，聯(lián)結(jié)組別為YNd1，低壓電壓為20.3kV,相電流為9967.16A，低壓每相由兩只套管引出。內(nèi)部引線采用雙銅排并聯(lián)水平布置。由于低壓電流達(dá)到9967.16A，其引線周圍存在很大的漏磁場(chǎng)，為防止周邊鐵件局部過熱，在油箱下部裝有高導(dǎo)磁硅鋼片磁屏蔽，在上部水平方向放置了同樣的磁屏蔽，在磁屏蔽上方手孔位置焊裝了銅屏蔽，此外低壓引線附近的油箱壁、法蘭及蓋板都采用了無磁鋼板?？紤]到加工困難，銅屏蔽與水平磁屏蔽之間保留了20mm焊接縫隙。試驗(yàn)結(jié)果顯示存在局部過熱，過熱位置在油箱手孔下方箱壁（圖1）。

圖1 油箱局部過熱紅外圖

3.2 原因分析

油箱采用無磁鋼板，內(nèi)壁焊有磁屏蔽與銅屏蔽，試驗(yàn)結(jié)果顯示箱壁有局部過熱點(diǎn)，由下圖可看出過熱點(diǎn)剛好位于油箱手孔下部，而非法手孔處無過熱現(xiàn)象，手孔的布置影響了磁場(chǎng)的分布。低壓引線布置圖顯示過熱點(diǎn)正對(duì)低壓引線下部銅排附近，此處漏磁場(chǎng)比較大；過熱點(diǎn)位于銅屏蔽與磁屏蔽接縫附近，屬于屏蔽盲區(qū)，磁場(chǎng)更容易從此處穿越；由于磁屏蔽使用高導(dǎo)磁材料，使磁屏蔽內(nèi)部磁阻遠(yuǎn)小于周圍介質(zhì)，周圍的磁力線會(huì)聚攏在磁屏蔽內(nèi)部，使磁屏蔽周圍磁力線集中；由于上部焊有銅屏蔽，由上文可知，銅屏蔽可改變磁力線的分布，減弱銅屏蔽覆蓋區(qū)的磁場(chǎng)，從而加強(qiáng)了其周邊的磁場(chǎng)，故接縫處磁場(chǎng)會(huì)加強(qiáng)。

由于手孔的原因，銅屏蔽在手孔位置進(jìn)行了挖孔處理，特別是在銅屏蔽下部，僅有小部分銅板相連，如果將孔周圍看作一個(gè)環(huán)形導(dǎo)線，無疑下部是導(dǎo)線最細(xì)的位置，孔周圍銅板中由于電磁感應(yīng)會(huì)出現(xiàn)環(huán)形電流，在下部導(dǎo)線最細(xì)的位置傳導(dǎo)電流密度Jc(t)達(dá)到最大，由Δ×H=J可知，下部磁場(chǎng)強(qiáng)度也達(dá)到最集中；不導(dǎo)磁鋼板相對(duì)磁導(dǎo)率大概在1至1.5之間，實(shí)際材料可能會(huì)高于聲稱值，如果局部磁通密度過高也會(huì)導(dǎo)致局部發(fā)熱。由于以上幾種原因，手孔下部磁場(chǎng)疊加達(dá)到最大引起局部過熱。

3.3 模擬計(jì)算

為驗(yàn)證以上分析，對(duì)變壓器此處磁場(chǎng)進(jìn)行了ansoft有限元分析計(jì)算。首先按照靜磁場(chǎng)計(jì)算得出低壓大電流引線附近磁場(chǎng)分布，顯示在磁屏蔽拐角處磁感強(qiáng)度明顯較高。在不考慮箱壁手孔四周銅板環(huán)流時(shí)，通過渦流分析，箱壁的磁場(chǎng)分布顯示銅板對(duì)磁場(chǎng)有明顯的阻擋作用，磁屏蔽對(duì)磁場(chǎng)有吸附作用，磁力線在接縫處的有穿越和匯聚加強(qiáng)現(xiàn)象。

3.4 處理方案

根據(jù)以上分析和計(jì)算，只要改變屏蔽結(jié)構(gòu)和布置就可消除過熱點(diǎn)，但鑒于產(chǎn)品已處于試驗(yàn)階段，不允許對(duì)屏蔽結(jié)構(gòu)作較大更改，因此采用了在低壓引線和油箱壁之間增銅板方案。由于引線和油箱壁之間增了銅板，低壓引線的漏磁場(chǎng)穿過油箱壁磁通量小了很多，大部分磁力線被磁屏蔽吸附，油箱壁內(nèi)磁通密度大大降低，從而消除了油箱過熱，順利通過試驗(yàn)。改進(jìn)后的渦流分析如圖2，由分析可知增加銅屏蔽后，油箱壁內(nèi)的磁場(chǎng)降到了很低的水平，完全消除了局部過熱。

圖2 改進(jìn)后渦流分析磁場(chǎng)分布

4 結(jié)語

變壓器過熱問題應(yīng)給予足夠的重視，特別是低壓大電流產(chǎn)品更易出現(xiàn)過熱問題。變壓器內(nèi)部電磁場(chǎng)是非常復(fù)雜的，即使借助分析軟件計(jì)算也只能做定性參考很準(zhǔn)確計(jì)算，因此要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將風(fēng)險(xiǎn)降到最低,設(shè)計(jì)磁屏蔽時(shí)應(yīng)注意：銅屏蔽與磁屏蔽之間做好搭接。理論上磁屏蔽上孔縫越小越好，孔縫的存在會(huì)減弱屏蔽效果，如無法避免孔縫應(yīng)盡量縮至最小，以免磁場(chǎng)局部集中；銅屏蔽不應(yīng)開過大孔洞。銅屏蔽上開孔不僅會(huì)削弱屏蔽效果，且會(huì)加大孔周圍的感應(yīng)電流密度，從而使其附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)，引起過熱；銅屏蔽空洞邊緣避免過窄。如銅屏蔽無法避免開孔洞應(yīng)避免將孔洞開在屏蔽邊緣，以防止局部傳導(dǎo)電流密度過大而感應(yīng)強(qiáng)磁場(chǎng)引起過熱。