电力变压器采取屏蔽措施减小杂散损耗和热点温度
1 简介
电力变压器是电力系统中最重要、最昂贵的设备之一。近几十年来，随着电力需求的不断增长，电力变压器的容量也有了较大的提高。在大容量下，杂散损耗现象已成为一个显著的特征。负载杂散损耗是由于绕组通过电流产生的磁通造成的。这些损耗取决于漏磁通的数量和强度、磁导率以及金属结构的电阻率，也取决于金属结构与漏磁激励源之间的距离。金属结构中的这种过多的杂散损耗会导致危险的局部过热。
如果不进行适当的评估和控制，杂散损耗将占到总负载损耗的主要部分(20-25%)。虽然变压器是最节能的设备，但控制杂散损耗将进一步提高散热效率，这会使变压器性能更佳、成本更低、高性价比和寿命更长。
变压器的杂散损耗包括绕组的杂散损耗(涡流损耗、循环电流损耗)和腹板、拉板、箱壁等结构件的杂散损耗。本文主要研究如何减少结构件的杂散损耗。为了减少杂散损耗，磁通的径向分量被认为是一个重要的因素。杂散磁通从绕组径向分离，向外在变压器箱壁内产生涡流损耗，向内进入铁心上的拉板。杂散损耗和更大的温升就是由法向进入结构件表面的漏磁通引起的。
主要采用电磁屏蔽(磁分路)和涡流屏蔽(铜或铝屏蔽)两种方法来减小杂散损耗。磁分路是一种铁芯叠片，它吸引漏磁通，并引导它通过变压器的铁芯，因此保持它远离实体金属部件。在涡流屏蔽中，屏蔽体的表面产生电流，从而阻止磁通进入，减少金属结构件的损耗。
在最近时期，已经有大量的关于降低电力变压器杂散损耗的研究，以上提到的只有一种屏蔽。在这项工作中使用的前沿设计是在变压器中使用屏蔽组合，以大幅度降低损耗。通常，在电力变压器中使用铜屏蔽或箱壁磁分路来降低杂散损耗。然而，使用磁分路和铜屏蔽的组合，通过仔细地布置它们，可使杂散损耗减少60%。
为了提高变压器的散热性能，降低杂散损耗，本文提出了采用磁分路和涡流屏蔽等杂散损耗降低措施的组合。分析了不同金属结构材料及其对热点温度的影响。本文利用Dirichlet边界条件研究了结构部件的性能和参数。本工作使用三维(3d)有限元法(FEM)分析杂散损耗和热点温度。
2 案例研究
对一台额定容量为315MVA，电压比420/27kV的单相发电机电力变压器进行了研究。变压器1/2模型如图1所示。这项工作所示结果为变压器一半的模型，因此，变压器总损耗将是(考虑到沿z平面对称)所得值的两倍。
箱壁、拉板和夹件选用了非线性低碳钢材料。低碳钢为铁磁材料，在结构件表面可施加“表面阻抗边界条件”。变压器绞线圈的绕组模型是根据匝数和线圈面积建立的。拉板设计了三道开槽，板厚为20mm。夹件模型为空心钢管。在这项工作中，我们忽略了绕组分接、套管和引线的影响。同时，忽略了铁心最末级的损耗。为精确地进行有限元分析，给出了适当的网格剖分值。
使用电磁有限元软件MagNet求解本文分析的问题。该软件允许涉及到涡流的三维分析，并给出所有导电元件中的损耗分布。这些损耗可以在ThermNet (FEM)软件中读取，以评估所有导电部件的温升。ThermNec可以求解涉及传导、对流和辐射的散热问题。在进行温度分析时，给出导热部件的“环境温度边界条件”以及表面与环境之间的导热系数。对于从金属到油的传热，假设其值为70。对变压器模型进行了三维时谐场耦合分析，以估算杂散损耗和热点温度。
图1 MagNet软件中采用夹紧结构的变压器半模型 (未显示油箱前壁)
表1 无屏蔽措施的变压器模型耦合分析结果
油箱壁 拉板 夹件
杂散损耗kW 7.28 3.56 2.34
热点温度 °C 85.18 160.98 87.17
3 方法
一般来说，电磁分路分为箱壁磁分路(垂直分流)和铁轭分路(水平分流)。常用的磁分路用来控制杂散损耗。磁分路有两种设计：板式磁分路和立式磁分路，立式磁分路效果更佳。涡流屏蔽是另一种适用于异型油箱的磁通抵消技术。然而，这种方法的缺点是在屏蔽体内部产生涡流损耗，并且被屏蔽排斥的磁通会导致附近结构件过热。
屏蔽尺寸的变化将对杂散损耗降低产生显著影响。根据变压器的设计和减少杂散损耗的要求，也可以采用屏蔽组合。造成杂散损耗的主要结构部件是箱壁、夹件和拉板。采用箱壁磁分路可以减少箱壁的杂散磁通。采用夹件磁分路可以减少夹件中的杂散磁通。拉板作为最重要的结构部件，其温度也较高。由于拉板位于漏磁通较高的区域附近，因此在设计拉板时必须小心谨慎。对不同材料的拉板设计进行了模拟，并探讨了一种新型磁分路来减小拉板中的热点。
通过改变设计参数，如屏蔽的高度和宽度、与绕组间距离、优化屏蔽的变压器模型。此外，还在变压器中模拟和分析了磁分路和铜屏蔽的不同组合。
这项工作利用集肤深度和坡印亭矢量来计算杂散损耗。集肤深度由公式给出：
其中，μ是材料磁导率，σ是材料的导电性，ω是电源频率。表面阻抗由坡印亭矢量计算，由下式给出：
其中E是电场的切向分量，H是磁场的切向分量。利用集肤深度和表面阻抗，可以评估整个金属结构件的杂散损耗。杂散损耗的表面密度由下式得出：
由下式关系式将得到的杂散损耗转化为热源。
式中，J为电流密度，Q为热源体积密度。一般来说，变压器中的温升是由于传导和对流。传导的基本方程是
其中，λ为材料的导热系数，T为温度。
对流的基本方程是
式中，h为对流换热系数，Ta为远离箱壁的流体温度，T为箱壁的温度。由上述基本方程可以得到变压器的电磁热耦合分析。
4 结果
在三维时谐电磁分析中，变压器模型在MagNet中求解，在热分析软件ThermNet中耦合求解。在这项工作中忽略了绕组涡流损耗。采用无屏蔽措施的变压器模型得到的结果如表1所示。
由表1可知，得到的总损耗为13.2 kW。由图2可以看出，箱壁正对绕组的表面的漏磁密度较大。如图3所示，在拉板表面得到的磁通密度比在箱壁表面的磁通密度高好几倍。
图2 箱壁磁通密度图
图3 拉板磁通密度图
从图4中可以观察到，超过绕组高度的拉板边缘温度达到了最大160°C。这些热点和杂散磁通可以通过下面建议的组合屏蔽措施加以改善。
4.1 常见的防护措施
箱壁磁分路：在本研究中，分路所用材料是具有线性各向异性磁导率的电工钢带。在分析中设计了10个箱壁分路。在这种变压器模型中，使用高度足够大于绕组高度的箱壁分路来覆盖磁通有功区域。得到带有箱壁分路的变压器模型耦合分析结果如表2所示。
由表2可知，采用箱壁磁分路后，箱壁损耗明显减少。箱壁的热点也得到了很大程度的减少，但这对拉板的热点并没有显著的影响。图5显示了杂散磁通被箱壁磁分路吸收，而不是进入油箱壁。
4.1.涡流屏蔽
涡流屏蔽一般采用铝板或铜板。在变压器模型中设计的铜屏蔽厚度为20mm，大于穿透深度，导电率为5.77×107S/m。屏蔽放置在器身磁通的区域(即在油箱壁正对绕组部分，分别对应绕组上部和下部对应的油箱盖和箱底)。采用铜屏蔽的变压器模型耦合分析结果如表3所示。
在变压器模型中建立了厚度为20mm、导电率为3.87×107 S/m的铝屏蔽，结果如表4所示。通过对比表3和表4可以看出，两种材料对杂散损耗和热点的降低几乎相同。
电磁屏蔽排斥磁通导致附近结构件过热。这可以从结果中看出，有屏蔽的夹件温度提高到89℃，而没有屏蔽措施的夹件温度为87℃。
通过比较箱壁磁分路和电磁屏蔽的结果，可以发现磁分路比电磁屏蔽能更好的降低杂散损耗和热点温度。
4.2 组合屏蔽措施
针对受热点影响最严重的夹紧结构，本文对不同的屏蔽组合进行了建模和分析，以降低其中的热点。
4.2.1夹件热点温度降低
通过使用夹件磁分路(水平磁分路)来减少夹件热点。在本工作中设计的夹件磁分路是阶梯式的，这样它就能覆盖绕组上方和下方的大部分区域，它们放在铁轭或夹件的下方。放置在变压器底部的夹件磁分路比放置在顶部的夹件磁分路有更高的截面积。通过比较带和不带夹件磁分路的耦合分析结果，可以研究夹件磁分路的影响，如表5所示。
从表5中可以看出，没有夹件磁分路的夹件中的热点为87℃，而有夹件磁分路的夹件中的热点减少了近7℃。图6描绘了夹件磁分路的磁通密度图。通过组合使用箱壁磁分路和夹件磁分路，可以控制径向磁通，有效地减少箱壁和夹件的热点。从表6中可以明显看出，使用箱壁磁分路和夹件磁分路组合可以更好地降低热点。
4.2.2 拉板热点降低:
可以观察到，拉板的损耗约占结构部件杂散损耗总量的30%，而拉板边缘的温度较高。因此，减少拉板的损耗是非常重要的。这可以通过两种方式实现。一是通过合理设计拉板，二是采用复合屏蔽。
如果拉板设计不当，就会产生大量的杂散损耗，从而达到更高的温度。因此，拉板开槽和材料选用是非常必要的。
本案例研究采用三个开槽的拉板。为了减少杂散损耗，需要仔细选择拉板的材料。表7为所要使用的拉板材料对比表。用不锈钢作拉板的材料，温度比低碳钢大大地提高。
为了有效地减少拉板的热点和杂散损耗，必须对拉板进行屏蔽。这可以通过在铁心柱的拉板旁放置磁分路来实现，我们称之为心柱分路。这些磁分路分流了部分杂散磁通，从而减少了杂散磁通垂直进入拉板的数量。心柱分路被放置在紧靠拉板的铁心的末级上，在绕组的上方和下方。
如图7所示，放置在铁心末级上的磁分路与拉板之间有足够的间距。模拟心柱磁分路的深度，使其大于夹件的厚度。本案例中，设计的心柱磁分路厚度为40mm，而夹件厚度为20mm。此外，在心柱磁分路之间设置了缝隙。这里，我们在拉板的两侧分别设计了三个心柱磁分路，放在绕组的上面和下面。
表2 带箱壁磁分路的变压器模型耦合分析结果
油箱壁 拉板 夹件
杂散损耗kW 1.33 3.33 1.41
热点温度 °C 71.91 156.23 82.21
表3 带铜屏蔽的变压器模型耦合分析结果
油箱壁 拉板 夹件 屏蔽
杂散损耗kW 5.16 3.49 2.56 0.30
热点温度 °C 74.98 159.13 89.42 71.26
表4 带铝屏蔽的变压器模型耦合分析结果
油箱壁 拉板 夹件 屏蔽
杂散损耗kW 5.13 3.52 2.56 0.38
热点温度 °C 74.88 160.26 89.43 72.21
图4变压器结构件温度分布图
图5 放置在箱壁绕组前的磁分路的磁通密度图
表5 有夹件磁分路和无夹件磁分路的比较结果
无夹件磁分路 有夹件磁分路
夹件中杂散损耗kW 2.34 1.41
夹件中热点温度 °C 87.17 79.92
表6 带有箱壁和夹件磁分路的变压器耦合分析结果
油箱壁 拉板 夹件
杂散损耗kW 1.81 3.25 1.03
热点温度 °C 71.11 155.33 75.81
表7 拉板材料比较
不锈钢 低碳钢
杂散损耗kW 5.43 3.56
热点温度 °C 232.76 160.08
图6 夹件磁分路吸收杂散漏磁
图7放在拉板旁边的心柱磁分路
通过铁轭磁分路、箱壁磁分路和心柱磁分路的组合，杂散损耗显著降低，如表8所示。对比带与不带心柱磁分路的结果，热点温度降低20℃。由图8可以看出，进入拉板的一部分杂散磁通绕过拉板进入了心柱磁分路。同样，从图9可以明显看出，在采用心柱磁分路后，拉板边缘的热点温度降至137℃。通过改变心柱磁分路的宽度和厚度，它吸收的杂散磁通也会发生变化。根据降低拉板热点的要求，可以对心柱磁分路的宽度和厚度进行建模和优化。
图8 心柱磁分路的变压器模型截面磁通密度图
图9 组合屏蔽措施的变压器模型温度图
表8 变压器屏蔽组合模型的耦合分析结果
油箱壁 拉板 夹件
杂散损耗kW 1.1 2.74 0.89
热点温度 °C 70.72 137.29 76.95
表9 变压器模型不同屏蔽组合比较
总的杂散损耗kW 热点温度 °C
油箱壁 拉板 夹件
没有屏蔽 13.18 85.18 87.17 160.98
有箱壁磁分路 6.07 71.91 82.21 156.23
有铜屏蔽 11.51 74.88 89.43 160.26
箱壁磁分路和铜屏蔽 5.71 72.01 75.88 155.67
箱壁和夹件磁分路 6.09 71.11 75.81 155.33
箱壁.夹件和心柱磁分路 4.73 70.72 76.95 137.29
5 比较
对于不同的屏蔽组合，所得结果如表9所示。通过改变高度、宽度等参数，对变压器模型进行屏蔽优化设计。从表9可以看出，采用不同的屏蔽组合后，结构件的热点和杂散损耗大大降低。
图10和图11说明了有和没有屏蔽组合的结果的差异。在图10中，在变化的负载电流下得到的杂散损耗范围为4到15kW (整个变压器的一半)。可以推断，对于更高的负载下，屏蔽组合(即箱壁磁分路、夹件磁分路和心柱磁分路)将大幅降低损耗。图11中的温度为变压器中拉板的热点温度。
6 结论
模型中的变压器的所有叠积部分都不导电。本案例中得到的杂散损耗低于设计/测量值。这可能是由于忽略了套管和引线的影响、绕组涡流、绕组中的循环电流和漏磁通下铁心末级的额外损耗。
研究表明，磁分路比铝或铜屏蔽能更好地降低杂散损耗。用夹件磁分路，夹件中的热点大大降低。并推导出低碳钢拉板比不锈钢拉板具有更低的杂散损耗。为了减少拉板中出现的热点问题，研制了一种新型磁分路，即心柱磁分路。这项工作强调了在电力变压器的金属结构中组合屏蔽的重要性，以防止过热危险。根据杂散损耗降低百分比的要求，可采用组合屏蔽。
图10有无组合屏蔽措施时杂散损耗的比较
图11有无组合屏蔽措施的热点对比
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