电力变压器油箱磁屏蔽效果仿真与结构优化

王蕴 郝宝良 张猛

摘 要：电力工程上通常采用磁屏蔽来减少进入变压器油箱箱壁的漏磁，从而减小涡流损耗与磁滞损耗。磁屏蔽一般由多层薄硅钢片叠积而成，分为平铺和立式两种叠片形式。本文基于将多层叠片结构等效为各向异性的单层板模型的仿真方法进行模型分析，提出磁屏蔽结构优化设计方案。

关键词：变压器;磁屏蔽;叠片形式

1 引言

电力工程上通常采用磁屏蔽结构来减少进入油箱箱壁的漏磁，从而避免产生较高的涡流损耗和磁滞损耗。磁屏蔽即在油箱内壁放置的由磁性材料板叠积而成的叠片组，一般分为平行油箱叠片和垂直油箱叠片两种叠积方式。其屏蔽原理是利用电工钢薄板的高导磁、低损耗性能构成磁分路，使变压器的漏磁通的绝大部分不再经变压器油箱而经磁屏蔽板闭合。显然，叠积方式的不同会导致屏蔽效果以及自身产生的损耗的差异[1]。

本文讨论的变压器磁屏蔽板厚为0.5mm，片与片之间有很薄的绝缘膜，起到绝缘、防腐蚀、耐热的作用。磁屏蔽在磁场仿真时进行必要的等效简化：在磁屏蔽板在叠积方向上，叠片和叠片间的气隙（包括绝缘膜）形成串联磁阻;在与叠片平行的方向上，叠片和气隙形成并联磁阻。可将多层叠片结构等效为一个具有各向异性参数的单层板模型。考虑到屏蔽材料的非线性特征，本文在处理各向异性问题时采用的方法是给定叠片方向和非叠片方向上的非线性B-H曲线。

相关研究表明，正确地使用变压器油箱磁屏蔽时，变压器油箱的涡流损耗可以明显降低，而不恰当地使用变压器磁屏蔽时，不仅不会取得良好的屏蔽效果，还会使得漏磁场在某些区域集中，导致该区域中结构件上涡流损耗过大，出现局部过热现象，导致结构件温升超标，变压器油分解产气，甚至造成变压器事故[2]。因此，研究变压器磁屏蔽，评估磁屏蔽的屏蔽效果，以及研究磁屏蔽的结构优化，具有重要的工程实践意义。

2 叠片模型的仿真方法

2.1 叠片的磁各向异性等效处理方法

将磁屏蔽等效为一个整体，并计算其不同方向的等效磁导率。根据硅钢片与空气间的B、H的连续性条件，得到硅钢叠片在叠积方向的等效磁导率如式（1）所示，非叠积方向的等效磁导率如式（2）所示。

式中，μe1为叠积方向等效磁导率，μe2为非叠积方向等效磁导率，μr为硅钢材料的磁导率，μ0为空气磁导率，c为硅钢叠片的叠片系数。本文选用的硅钢片材料的B-H曲线如图1所示。结合图1所示的硅钢片的B-H曲线得到叠积方向和非叠积方向的B-H曲线如图2所示。

2.2 Ansoft Maxwell软件仿真叠片结构的方法

在Ansoft Maxwell软件中设置材料时，针对材料的各向异性提供了两种设定方法：一是如2.1所述在各个方向分别赋予考虑叠片效果后的等效磁导率，可以是线性恒值，也可以是非线性的B-H曲线;二是当要赋值的对象是由单片各向同性材料叠积而成时，可以通过直接设置叠片系数来表示叠积后材料整体的各向异性。需要指出的是，直接设定叠片系数，仅可以考虑两个方向的各向异性即叠积方向和垂直于叠积的方向。两种方法的原理是一样的，只是后一种方法是由软件程序完成各向异性等效磁导率的计算。目前第一种方法的适用范围更广。

3 仿真计算结果与分析

本文针对一台箱壁放置磁屏蔽的变压器进行二维和三维的仿真计算。通过二维模型可以清晰分析采用两种不同叠积形式磁屏蔽时变压器中的磁力线分布，有利于分析屏蔽的作用;而三维模型可以给出较准确的结果[3]。为了简化计算，将变压器简化为包含铁心、绕组、磁屏蔽和箱壁的结构。由于本文着重分析漏磁场对磁屏蔽和箱壁的作用，故忽略铁心叠片的叠积形式和各向异性的特征并对铁心进行磁导率归一化和电导率归一化建模[4]。同样，计算绕组铜导线的安匝后等效为一个整体，不考虑导线本身的涡流效应。

首先对变压器模型进行二维静磁场仿真分析。在二维静磁场的分析中，可以清晰的对比两种屏蔽结构的场的分布情况。在静磁场中比较分析两种屏蔽结构的磁感应强度分布特点是研究屏蔽效果最简便、有效的方法[3]。

3.1 简化模型结构

图3为变压器的三维模型和相应二维平面的模型。变压器采用双绕组，每个芯柱上均绕制初、次级绕组，绕组材料为铜，相对磁导率μr= 1，σ=5.8×107S/m。铁心材料的μr=4000，σ=1.03×107S/m。磁屏蔽由硅钢片叠积而成，叠积厚度为10mm，硅钢片密度7.7×103kg/cm3，标称厚度0.5mm，叠片系数≥96%。变压器箱壁材料为Q235钢，其厚度为10mm，相对磁导率μr=200，σ=5.6×106S/m。

将图3所示的变压器模型进一步簡化为二维轴对称模型，并将磁屏蔽在厚度方向上以2mm为单位分为若干部分区域，有利于得到精度可靠的剖分网格。激励源的设置如下：线圈施加总电流，初级绕组的安匝为157635.3A，次级绕组的安匝为157669A。边界条件设置如下：空气区域施加气球边界，用来模拟磁场散磁的情况下，无穷远处磁场为零。

3.2 磁屏蔽的屏蔽特性

图4是两种屏蔽结构在线圈端部的磁感应强度分布，图中整组磁屏蔽厚度d等于8mm。可以明显看出，平铺结构时，磁力线在靠近线圈附近密集，磁感应强度大，并在磁屏蔽厚度方向逐渐减小。在立式结构中，磁力线在磁屏蔽的厚度方向分布均匀。这个差异是由屏蔽结构叠积形式不同造成的磁各向异性产生的。

图5所示为两种屏蔽结构中箱壁比较线上的磁感应强度。可以看出平铺结构的磁屏蔽板在中部的磁感应强度比立式结构高出约10%。虽然是二维静磁场中的仿真，但箱壁中的磁感应强度值的大小与实际工作时的涡流损耗密切相关，磁感应强度值的大小决定了涡流的大小，综上，仿真结果表明立式结构的叠积磁屏蔽板更有利于降低进入箱壁的磁感应强度。

3.3 三维仿真验证

在三维静磁场中分析不同叠积形式磁屏蔽的屏蔽效果，与二维场的结果进行对比，验证仿真的可靠性。图6为平铺结构磁屏蔽两侧面的磁感应强度，可以看出平铺结构磁屏蔽两侧的磁感应强度不同，在磁屏蔽内侧靠近线圈端部处的磁感应强度相比外侧靠近油箱箱壁处要大。图7为立式结构磁屏蔽两侧面的磁感应强度，可以看出立式结构磁屏蔽两侧的磁感应强度差别不大，在磁屏蔽厚度方向分布均匀。

4 变压器磁屏蔽结构优化

针对使用平铺结构磁屏蔽的变压器，分析了两种屏蔽放置方法的屏蔽效果。两种放置方法的示意如图8所示。一般情况下的变压器平铺结构磁屏蔽板的铺叠方式如图8a所示，图中硅钢片分成等宽的5组，隔一定距离铺放在箱壁内表面。总的硅钢片数不变，将其分为18组，分别交叉铺放在箱壁内表面，如图8b所示。三维静磁场中，两种平铺方法箱壁上的磁感应强度分布如图9示。在箱壁内表面上对磁感应强度进行积分，得到穿过箱壁内表面的磁通，分别是16.7 Wb和15.4 Wb。可见交叉铺叠的方式有利于减少进入箱壁的磁通，材料利用率更高。

5 结论

变压器磁屏蔽仿真分析的关键是叠片模型的仿真方法，多层叠片磁屏蔽在叠积方向和非叠积方向的磁特性差异可以通过各向异性的整体等效的方法实现。仿真结果可见立式结构磁屏蔽中磁感应强度在厚度方向分布均匀，且比平铺结构箱壁中部的磁感应强度低10%。

针对平铺结构，本文对比了交叉叠放方式与传统叠放方法，仿真结果表明采用交叉叠放的磁屏蔽时，进入箱壁的磁通低于传统叠片结构。

参考文献（References）

[1]郭晶，李琳，王晓燕，等. 电力变压器磁屏蔽模型涡流场和损耗的计算与测量[J]. 电力工程，2012，28（6）：20-26.

[2]程志光，高桥则雄，博扎德·弗甘尼，等.电气工程电磁场模拟与应用 [M]. 北京：科学出版社，2009. 275-277.

[3]李永刚，李悦宁，程志光等. 电力变压器中不同磁屏蔽的建模、仿真和基准化实验验证[J]. 电工电能新技术，2015，34（2）：61-66.

[4]赵志刚，魏 鹏，戎静怡，等. 无取向立式磁屏蔽的性能分析和实验研究 [J]. 电 工 电 能 新 技 术，2018，37（4）：64-70.