电力推进变压器对高频电磁噪声抑制方法研究

黄刘玮，于飞，李耕，夏益辉

（海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

随着电力电子技术的迅速发展，船舶电力推进系统中大量使用高频功率开关设备。然而随着开关频率的提高，使得谐波含量丰富，从而产生了大量的高频电磁噪声，并通过推进变压器传递到电网中，对电网中其他用电设备造成了严重的影响。所以在船舶特殊的工作环境和有限的舱室空间内，需要电力推进变压器对来自推进变频器的高频电磁噪声进行抑制，防止其污染船舶电网，提高电能品质，保证其他用电设备的正常运行。

在高频电磁噪声通过推进变压器传递的过程中，变压器的寄生分布电容起到了重要的作用。本文通过对推进变压器分布电容的研究，提出了抑制高频电磁噪声的方法，并通过有限元仿真和实验，对该方法的抑制效果进行了分析。

1 高频电磁噪声传递路径分析

由于推进变压器的绕组与大地之间、初级与次级之间都存在着分布电容，次级的高频电磁噪声通过这些分布电容耦合到初级的电网中，从而影响其他的用电设备，如图1所示。

图1 高频电磁噪声传递路径

初级的电磁干扰电压的计算公式为：

分析传递路径可知推进变压器的分布电容在高频电磁噪声的传递中起着关键性的作用。要抑制高频电磁噪声，首先要分析推进变压器的分布电容，降低其在传递过程中的作用，从而达到抑制高频电磁噪声的目的。

2 变压器分布电容分析

2.1 绕组分布电容

变压器的绕组一般是分层绕制的，层与层之间存在着分布电容。绕组的分布电容可以通过变压器绕组中存储的电场能量来进行确定。为了计算电场能量，需要知道变压器绕组中的电压分布。现以一个两层绕组为例，如图2所示。在所测绕组上施加一个电压U，其余绕组开路，假设这个电压沿着绕组方向均匀分布，以绕组的一端电位为零开始，增长到另一端为U，这样就能获得绕组的电压分布。得到分布电压后，可根据下式计算绕组的分布电容[4]：

式中：r为绕组导线的半径，d为绕组上下层间距，l为绕组的长度，E为绕组间的电场强度，u为上下两层的电压差分布，Uin为输入电压，ε为层间绝缘材料介电常数。

图2 两层绕组不同绕法的电压分布

图2给出了四种绕组绕制方法的绕组的电压分布，绕组的不同绕法所形成的分布电压截然不同。U型绕法，绕制方法虽然简单，但是上下两层相邻匝间的电压差变化的很大，所产生的分布电容也会非常大，由图中可知绕组的端口部分的分布电容将最大。S型绕法，绕线稍复杂些，绕组上下两成相邻匝间压差几乎没有变化，绕组各部分的分布电容值也几乎相同。分段式绕法，是将绕组的绕圈匝数分成相等的若干份，每一段用绝缘层隔开，这样上下两层的电压差就只是输入电压的若干份之一，分段越多，线圈间的最大电压差越小，绕组等效分布电容就越小。交错式绕法，就是将n份绕组绕圈按照奇偶数上下两层交错的绕制，这样线圈间的最大电压就是1/n，相应的分布电容也非常小[1-3]。

2.2 绕组间分布电容

变压器初级绕组和次级绕组之间的分布电容可从电容的基本定义推导而得。

图3 绕组间分布电容

如图3所示，原次级绕组存在一定的间距d，假设初级绕组、次级绕组分别携带电荷q、-q，则距离初级的中心x处的A点的电场强度为初级、次级的电荷分别在A点产生的电场强度E1和E2的叠加。根据高斯定理：

初级绕组与次级绕组之间的电位差为U可以表示为：

由此可得长度为l的绕组间分布电容为：

式中：ε为绕组导体间绝缘材料的介电常数；l为初级绕组与次级绕组正对的平均长度。

推进变压器的分布电容的实际测量是非常困难的，所以借助于ansoft有限元仿真软件，通过建立模型，能比较准确的计算变压器的分布电容数值[3]。

2.3 绕组不同布置对分布电容的影响

变压器绕组的不同布置也会影响绕组间分布电容的大小。为此，对图4中三种绕组布置不同的变压器进行分布电容的仿真计算。

图4 绕组的不同布置

表1列出了变压器采用图4所示的三种绕组布置时所得的变压器绕组间分布电容仿真计算结果。

表1 绕组不同分布时的分布电容值

由图4中所示，a型变压器和b型变压器的初级绕组的两层都在次级绕组的同一侧，则初级绕组和次级绕组之间只有一个接触面，两个绕组之间的分布电容相对较小，但初级绕组两层间的分布电容依然很大。c型变压器的初级绕组与次级绕组由两个正对的接触面，所以从表1中也能看到，绕组间的分布电容相对较大，且因为对称分布所以C13= C23，但是因为初级绕组被次级绕组隔开分成了两段，间距增大，也使得初级绕组的分布电容变小。

3 高频电磁噪声的抑制方法

通过对高频电磁噪声传递路径和推进变压器寄生分布电容的分析，提出对高频电磁噪声的抑制方法。采用在推进变压器中的初、次级之间加一个低电阻金属材料的静电屏蔽层，使绕组间的分布电容降到最小，切断噪声的耦合通道，其原理如图5所示。

图5 静电屏蔽层原理

当静电屏蔽层足够大时，初、次级之间剩余分布电容C12一般很小可以忽略不计，其等效电路见图6。

图6 电屏蔽等效电路图

此时，初级干扰电压的计算公式为：

根据公式可以得到，在理想情况下，静电屏蔽层接地良好，则C4趋向于无穷，VA=0。而当静电屏蔽层接地很差时，C4远小于C2。由于静电屏蔽层距离初级绕组比次级绕组要近，而且面积比次级绕组大，所以C1远大于C12，此时，公式可改写为：

与无静电屏蔽层时对比

即VA（静电屏蔽层不接地）>VA（无静电屏蔽层）由此得出：

1）静电屏蔽层应有良好的接地，才能起到隔离屏蔽作用，消除干扰；

2）静电屏蔽层应有足够大的面积，既静电屏蔽层铜箔应尽可能宽；

3）静电屏蔽层应远离干扰源，靠近受干扰一侧，既远离变压器次级绕组，靠近初级绕组，使C1、C2达到一个适中值；

4）加了静电屏蔽层而不接地，其干扰将比不加静电屏蔽层时更为严重。

静电屏蔽层的作用就是用金属静电屏蔽层将电路隔离起来，把电路之间的干扰源降低到最小程度，使电路通过分布电容泄露出的能量经静电屏蔽层短路接地而不传入电网中去。

4 仿真及实验

4.1 有限元仿真计算

为了进一步研究静电屏蔽层降低绕组间分布电容的程度，下面将建立一个加有静电屏蔽层的绕组模型，如图7所示。然后利用有限仿真软件，对普通绕组和增加有静电屏蔽层的绕组分别进行分布电容计算[2]，计算结果如表2所示。由表2可以很清晰地看出，在增加静电屏蔽层后，绕组间的分布电容值只有普通绕组间分布电容值的2%，减小明显，这说明高频电磁噪声将无法有效地通过分布电容从次级传递到初级。

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图7 有静电屏蔽层的绕组模型

4.2 实验分析

根据所提出的抑制高频电磁噪声的方法，设计制造了一台样机。为了降低绕组自身的和绕组间的分布电容，样机的初级绕组分成两部分绕制，把次级绕组夹在中间，如图4中c型绕组布置，并在靠近初级绕组的一边各增加一层静电屏蔽层，如图8所示。

图8 绕组结构

变压器的噪声抑制试验是利用高频电磁干扰测试仪器在变压器的次级输入幅值为10 V的干扰电压，测量初级的感应电压，在0.1～30 MHz频率段对具有噪声抑制功能的推进变压器进行测试，同时对一台同额定容量的普通推进变压器也进行测试，将两台变压器的测量数据进行比较，以A相为例，如图9所示。

通过比较可以很明显的看出，普通推进变压器将初级10 V的干扰电压升高到了110～120 V左右，这将对电网造成一定程度的冲击。而具有噪声抑制功能的推进变压器的感应电压只有20～30 V，对高频电磁噪声的抑制效果还是非常明显。

5 结语

船舶电力推进设备所产生的高频电磁噪声通过推进变压器传递到电网中。本文针对这一现象，对电力推进变压器的分布电容进行分析，提出了一种抑制方法，通过增加静电屏蔽层减小分布电容，切断噪声的传递通道。利用有限元仿真对该方法进行仿真分析，并设计制作了样机。通过对样机的电磁干扰试验，验证了该抑制方法的可行性和实效性，满足了电力推进变压器对高频电磁噪声的抑制要求。

[1] 尹克宁. 变压器设计原理[M]. 北京：中国电力出版社，2003.

[2] 刘国强. Ansoft工程电磁场有限元分析[M]. 北京：电子工业出版社，2005.

[3] 杜建平，李岩，徐希强，李冬雪等．基于有限元法德变压器分布电容参数计算的研究[J]．变压器，2012.