电力变压器中的磁场分布与磁屏蔽效果分析

牟 帅，吴 哲，朱炎辉，项秉福，周 策，宋占海

(1．浙江电力变压器有限公司，浙江温州 325014；2．温州电力局，浙江温州 325028；3．温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

电力变压器中的磁场分布与磁屏蔽效果分析

牟 帅1，吴 哲2，朱炎辉1，项秉福1，周 策1，宋占海3,†

(1．浙江电力变压器有限公司，浙江温州 325014；2．温州电力局，浙江温州 325028；3．温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

基于三维有限元法对一台电力变压器进行了合理的建模，模型可自然给出绕组的电阻损耗．基于该模型模拟了内部磁场与油箱损耗的分布情况，并研究了放置磁屏蔽板后油箱的损耗变化．模拟结果与实测结果基本符合，说明建模正确．分析结果对研制节能降耗型电力变压器有指导作用．

电力变压器；磁场；磁屏蔽；油箱损耗；有限元法

变压器是配电网中不同电压等级电能间相互转换的主要设备，在电能生产、输送、调度分配等过程中起到非常重要的作用．变压器运行时总伴随着大量的能量损耗，具统计，国内电力变压器运行时发生的能耗约占整个发电系统发电总量的10%[1]，损耗巨大，这和变压器的结构特点有关．变压器主要由铁心、绕组、油箱以及附件等组成，对应这几部分发生的损耗分别叫做：铁心损耗（铁损）——铁心反复磁化过程中产生的磁滞损耗与涡流损耗，采用高性能的导磁材料可降低铁损，如非晶合金变压器可使铁损降低75%以上[2]；绕组损耗（铜损）——绕组中的电阻损耗以及涡流损耗，采用高电导率材料导线以及合理的绕制方法可降低铜损；杂散损耗——杂散磁场在油箱、夹件、拉板等金属构件中的涡流损耗，通过合理的设计与屏蔽可降低[3-6]．一般来说，变压器的容量越大，传输效率越高，大型的变压器可达99%甚至更高，但同时，容量越大总的损耗量也越大．如果能量损耗过分集中，有可能导致局部温度过高，破坏应有的绝缘，从而影响使用寿命或导致事故发生．模拟变压器内部场的分布情况和各部分的损耗情况，对结构参数进行优化，是设计性能优异的变压器的前提．研制节能型变压器也是国家发展低碳经济，推动节能减排，实现可持续发展战略的需要．

变压器油箱因其面积巨大，其中的涡流损耗（或叫杂散损耗）也很大，这成了近些年对大型变压器设计研究的一个热点．以前对这类问题的研究多采用解析法，把内部的复杂场分布看成满足解析公式的约束，对分析实际问题只具有参考意义[7]．本文采用三维有限元的数值分析方法，可以对变压器内部情况有比较真实的了解．本文的研究对象是一台50 MVA的主变压器，通过建模分析，得到了与实测基本相符的结果．

1 模 型

为了模拟过程简化，所建立的模型具有对称性．如图1显示的是一台三相三柱芯式电力变压器的简化结构，每个铁芯柱从内到外各环绕一个低压绕组与高压绕组，每个低压绕组由12个均匀分布的环状线圈组成，每个高压绕组由10个环状线圈组成．该结构的建立保证模拟出的绕组的电阻损耗与实测相等，基于这样的模型再考虑其内部场与损耗的分布情况应该更接近实际．在该结构中，在x-o-y面上的磁场与平面垂直，认为磁场在邮箱内快速衰减为零，并在油箱的边界满足自然边界条件，因此，只模拟整体结构的四分之一就可以了解整体的场分布，这大大简化了计算过程．本文实际模拟的结构如图2所示．

图1 变压器整体结构模型

2 理 论

按照电磁场理论，导电区域内（如油箱、压板、夹件、绕组等）存在涡电流，因此，在该区域内的磁场强度H满足Maxwell方程[8]：

图2 模拟的四分之一结构

求解空间采用四面体元的划分方法进行分割，矢量电位只存在于四面体元的棱边，标量磁位只存在于四面体元的顶角，并满足一定的边界条件．

3 结 果

3.1 变压器铁心中的磁密分布

变压器铁芯与屏蔽层材料都是通用硅钢片，绕组为无氧铜，油箱材料为普通导磁钢．所有材料的电导率、磁导率、密度都认为是常数．铁心都是由片状的相互绝缘的硅钢片压成，涡流被限制在很小的横截面内，如果不考虑铁心内的涡流，把铁心看成是具有一定电导率、磁导率的线性材料，空载时模拟的铁心内部磁密分布如图3所示，可以看出，铁心内的磁场比外部的强，并且中间的铁心柱（B相绕组）比两侧铁心柱内的磁密强，在铁心柱与铁扼的连接位置更强，这些与文献[11]模拟的结果一致．

图3 变压器空载、铁心无涡流时磁密幅度分布(ωt=0)

实际铁心中都有涡流损耗，本应对毫米以下的硅钢片再进行更细的网格划分，但这样，计算量将非常巨大，远远超出PC机的能力，所以只能把铁心近似看成实心导体，这种考虑的后果肯定是模拟的涡流比实际的大，模拟结果如图4．比较图3、图4可以看出，涡流的存在使得铁心内部的磁密减弱，铁心边缘的磁密依然很强，甚至达磁饱和，这也与实际情况相符[10-11]．实际上在铁心中的磁场分布只能介于上述两种极端情况之间．变压器负载工作时的磁密与空载时的区别不大．

3.2 变压器油箱壁上的场分布

图5是变压器负载时模拟的变压器油箱上的磁密分布情况，可以发现，在变压器侧壁上靠近线圈的地方漏磁密比较强，特别是远离分接开关的油箱侧壁，由于最靠近线圈，模拟的磁密最强，应引起注意，漏磁的量级与已有文献[11]结果相近．根据实际情况，若在油箱壁上固定如图4式的磁屏蔽板，然后再模拟箱壁场分布，油箱上的磁密分布发生改变，结果如图6．由于屏蔽板的良好导磁特性，屏蔽板附近的磁密被导引到屏蔽板所在的磁路内，从而使油箱壁整体磁密有所降低（包括线圈上下端头部分的油箱部分），尤其是屏蔽层后面罩着的油箱部分效果较明显，但这部分的边缘的磁密有所增强．

图4 变压器空载、铁心有涡流时磁密幅度分布(ωt=0)

图5 变压器负载、无屏蔽时油箱上的磁密幅度分布(ωt=0)

图6 变压器负载、有屏蔽时油箱上的磁密幅度分布(ωt=0)

3.3 变压器油箱壁上的损耗分布

如果基于公式（5），对油箱壁上的损耗进行计算，可以得到图7、图8所示的结果，同样发现，在油箱的侧壁最靠近线圈的部位，也就是远离分接开关的侧壁的中部，涡流损耗最大，其次就是靠近A 、C两相绕组的侧壁的中部，损耗也较大，损耗分布与磁密分布规律类似[11]．

图7 变压器负载、无屏蔽时油箱上的功率损耗密度(W / m2)(ωt=0)

图8 变压器负载、有屏蔽时油箱上的功率损耗密度(W / m2)(ωt=0)

3.4 变压器杂散损耗的测量结果

对该型变压器进行了负载损耗的测量，测量结果显示，在放置如图屏蔽结构后，可以使油箱的损耗降低5.7千瓦．而模拟显示，放置屏蔽后可以降低损耗4.3千瓦，与实验结果较相近，也说明该分析方法可行，分析结果有意义．

4 结 论

基于绕组中电阻性损耗的实际大小，对变压器进行建模，然后用三维有限元法对变压器内的磁场与油箱上的涡流损耗进行仿真模拟，模拟结果与其它分析方法得到的基本一致．对有、无磁屏蔽时油箱上的损耗进行了模拟对比，模拟结果与实测结果符合得也比较好，验证了模型的正确性．这些分析结果对设计低损耗变压器有指导作用．

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[11] 谢毓城. 电力变压器手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003: 180.

Distribution of Magnetic Fields and Effect Analysis of Magnetic Shielding for Power Transformer

MOU Shuai1, WU Zhe2, ZHU Yanhui1, XIANG Bingfu1, ZHOU Ce1, SONG Zhanhai3
(1. Zhejiang Power Transformer Co, LTD, Wenzhou, China 325014; 2. Wenzhou Electric Power Bureau, Wenzhou, China 325028; 3. College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

A reasonable model for a power transformer was established based on 3D Finite-element Method (FEM). Ohmic losses for windings could be achieved automatically according to the model. Magnetic fields inside oil tank and oil tank losses were simulated with the model to study changes of oil tank losses when magnetic shielding panels were used for the shielding of tank. The achievement of simulated was in accordance with the measured one. Results showed that the established model is proper and the application of the model in analysis could be helpful for the design of low-loss power transformer.

Power Transformer; Magnetic Field; Magnetic Shielding; Oil Tank Loss; FEM

O441.4

A

1674-3563(2012)05-0055-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2012.05.009 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2011-12-07

温州市科技局科技计划项目(G20100160)

牟帅(1976- )，男，辽宁大连人，工程师，硕士，研究方向：电力电子．† 通讯作者，szhanh@wzu.edu.cn