弧形屏蔽结构对变压器漏磁改善作用分析

摘    要：变压器的容量增加造成了漏磁的问题，对电能造成了较大的损耗，降低了变压器的效率，基于此，针对油箱的磁通回路，设计了圆弧形屏蔽结构，采用ANSYS Maxwell软件对圆弧形屏蔽结构及矩形屏蔽结构进行仿真分析。结果表明，圆弧形屏蔽结构相比矩形屏蔽结构可减小最大磁通密度达50%，降低最大电涡流密度达64%，且不存在边缘磁通密度集中及电涡流聚集的现象。

关键词：变压器;漏磁;损耗;弧形屏蔽;矩形屏蔽;磁通密度;电涡流密度;

0 引言

我国各行业的发展离不开电力资源的使用，特别是在煤矿开采中，伴随着自动化采煤技术的发展应用，对电力资源容量的需求不断提高，且对电力供应的稳定性要求也逐渐提高。在电力资源的供应中，需要变压器进行升降压处理[1]，实现电力资源的高效稳定输送。近几年，随着矿井对电力资源需求的增加，变压器的容量需随之不断增加，造成了铁芯绕组的磁通量密度增加，产生大量的漏磁[2]。由于漏磁现象的存在，对于变压器的使用产生电磁波及电磁辐射，不仅危害设备的使用及安全，而且漏磁的存在引起变压器电能的损耗，造成较大的升温，不利于电能及设备的综合利用[3]。采用仿真的形式对变压器油箱的漏磁进行弧形屏蔽结构的分析，依据漏磁分布的规律改善变压器的漏磁，提高变压器的运行效率[4]，以及电能的利用率。

1 变压器油箱弧形屏蔽结构的设计建模

变压器容量的增加会造成漏磁增多，在大容量的变压器中，造成杂散损耗，其中油箱产生的杂散损耗占据了绝大部分[5]，对变压器的运行使用造成严重的影响。针对变压器漏磁产生的影响，最简单的方式是降低磁场的强度，这种方式无法满足实际变压器运行的需求。为此针对变压器的内部结构进行优化改善[6]，从而改变漏磁磁场的方向，尽量减小漏磁磁通成为主要的方式。在结构的优化改善中，多采用屏蔽的方式进行设计，在变压器的保护构件表面铺设一层硅钢片[7]，将漏磁磁通通过硅钢片的导磁形成回路，减小对变压器构件的影响，从而改善变压器的漏磁现象。

变压器的油箱漏磁损耗较大，对变压器的使用温度及寿命造成严重的影响，通过分析可知，在变压器的油箱漏磁中，油箱后壁是产生损耗较大的区域。常规的对变压器油箱的屏蔽方式多采用矩形的硅钢片铺设在油箱后壁的表面[8]，由于磁场回路环形分布的特性，采用弧形硅钢片的形式进行变压器油箱的屏蔽。弧形屏蔽结构将常规矩形的硅钢片冲压成圆弧形，保证其宽度与油箱后壁的宽度相同，将弧形硅钢片焊接在油箱的后壁中，形成新型的弧形屏蔽结构[9]，建立常规的矩形屏蔽结构及弧形屏蔽结构的模型如图1所示。

图1 变压器矩形及弧形屏蔽结构示意图 

采用ANSYS Maxwell软件进行变压器屏蔽效果的仿真分析，将所建立的模型导入到ANSYS中，设定屏蔽结构的材质为50-Q130硅钢片，油箱的材质为Q235A低碳钢板，设定变压器的结构以绕组的纵向轴为中心对称[10]，不计绕组间的相互作用。采用ANSYS Maxwell四面体剖分单元对模型进行自适应剖分处理，漏磁场通过油质实现闭合，应提高油箱的剖分精度，软件可依据模型每一步剖分的残差进行自适应的解构，提高静态求解的精度。

采用三相变压器进行屏蔽作用分析，在变压器的结构中设定绕组的材料为铜导体，对截面添加激励电流[11]，在高压绕组及低压绕组中形成工作的环形电流，完成对绕组的激励。在变压器工作过程中，油箱内部产生一定的漏磁作用[12]，对两种屏蔽结构在油箱上产生的磁通密度及电涡流密度进行仿真计算。

2 变压器油箱弧形屏蔽结构仿真结果分析

采用ANSYS Maxwell软件对两种屏蔽结构磁密度作用进行仿真计算，得到两种屏蔽结构的磁通密度分布如图2所示。从图2中可以看出，通过在油箱后壁的表面铺设屏蔽钢片，可将变压器中由绕组、油箱及变压器组成的闭合磁路改变为大部分经过绕组、变压器油质及屏蔽结构进行闭合，减小了对油箱的作用，即屏蔽结构的磁阻作用减小了油箱的漏磁，两种屏蔽结构对油箱后壁位置均有较好的屏蔽效果。对比两种屏蔽结构的磁通密度分布云图可以看到，在常规的矩形屏蔽结构中进行屏蔽处理后，在屏蔽的边缘具有磁通密度集中的现象，而圆弧形屏蔽结构不存在这种磁通密度集中的现象，矩形屏蔽结构的最大磁场值为0.19 T，而圆弧形屏蔽结构的最大磁场值为0.11 T，圆弧形屏蔽结构可减小最大磁通密度达50%。圆弧形屏蔽结构对油箱的磁通密度具有较好的改善作用，消除了矩形屏蔽的磁通密度集中现象，并可降低最大磁通密度值50%，减小了油箱的漏磁及温升作用。

图2 油箱磁通密度分布云图 

采用ANSYS Maxwell软件对两种屏蔽结构电涡流作用进行仿真计算，得到两种屏蔽结构的电涡流分布如图3所示。从图3中可以看出，采用矩形屏蔽结构对油箱的漏磁具有一定的改善作用，但由于屏蔽边缘磁通密度集中造成屏蔽边缘具有较强的电涡流聚集，容易造成局部的高温区，对变压器的效率改善作用不大；采用圆弧形屏蔽结构得到电涡流分布从中间逐渐过渡到两侧，没有电涡流聚集的现象，油箱的温度变化均匀，降低了电涡流密度，对变压器的损耗较小，降低了最高点的温度，可有效地改善变压器的效率。矩形屏蔽结构的最大电涡流密度为1 119 kA/m2，弧形屏蔽结构的最大电涡流密度为400 kA/m2，可降低最大电涡流密度达64%，同时采用圆弧形的结构布置，同样的长度及宽度上的屏蔽结构，弧形屏蔽结构的表面积要大于矩形结构，能够有效地降低漏磁，并且降低了油箱的电涡流损耗，提高了变压器的效率。

图3 油箱电涡流密度分布云图

3 结语

变压器是煤矿开采输配电系统中必备的元件，随着开采自动化程度的提高，对供电系统的容量及稳定性要求不断提高，变压器的容量也随之不断增加，由此带来的漏磁成为变压器使用的重要问题。变压器油箱的漏磁是造成变压器效率较低及损耗较大的主要位置，针对变压器的油箱漏磁采用增加硅钢片屏蔽结构的方式改善漏磁问题。依据变压器油箱的磁通回路分布，设计了圆弧形屏蔽结构，并采用仿真计算的形式对圆弧形屏蔽结构的效果进行分析，并与常规的矩形屏蔽结构进行对比。经过ANSYS Maxwell软件对油箱的磁通密度及电涡流密度的仿真计算，结果表明，两种屏蔽结构均可改善油箱的漏磁，圆弧形屏蔽结构相比矩形屏蔽结构可减小最大磁通密度达50%，降低最大电涡流密度达64%，且不存在边缘磁通密度集中及电涡流聚集的现象。采用弧形屏蔽结构对变压器的漏磁具有较好的改善作用，可降低变压器的温升及损耗，提高变压器的效率，保证煤矿开采用电的容量及稳定性。

参考文献

[1] 邓永清，阮江军，董旭柱，等.基于自适应网格控制的10 k V油浸式变压器多物理场仿真计算[J].高电压技术，2022(8):1-10.

[2] 陈于晴，刘静，黄青丹，等.基于植物油和矿物油的10 k V油浸变压器外部热源耐火实验[J].消防科学与技术，2021,40(11):1 589-1 593.

[3] 张建英，郭红兵，荀华，等.基于附加铜耗占负载损耗比例的电力变压器铭牌容量失真判别方法[J].内蒙古电力技术，2022,40(1):58-62.

[4] 赵强.励磁涌流引起变压器过电流保护动作的原因分析与措施[J].电气化铁道，2021,32(S1):108-113.

[5] 高鸿鹏，咸日常，孙晓维，等.配电变压器接线组别对雷电耐受能力的影响分析[J].现代电子技术，2022,45(3):148-153.

[6] 黄军凯，张迅，刘君，等.基于粒子群优化算法的变压器故障诊断研究[J].信息系统工程，2021(11):141-144.

[7] 许中平，赵峰，李守超，等.基于变压器振动信号的电能质量特征基提取方法[J].变压器，2022,59(1):34-39.

[8] 刘建树，孙立涛，徐鹏程.基于电磁-机械顺序耦合的变压器直流扰动振动特性研究[J].电气技术，2022,23(1):21-28.

[9] 朱明，朱嘉慧，陈息坤，等.基于理想变压器的耦合电感和实际变压器模型[J].电工技术，2022(1):34-41.

[10] 刘铁男，卢岩，魏国文，等.基于GB 20052—2020标准下变压器经济运行的能耗对比分析[J].现代建筑电气，2022,13(1):14-18.

[11] 江嘉铭，钟业荣，阮国恒.基于图像识别与语音交互的变压器发热缺陷检测系统设计[J].自动化与仪器仪表，2022(2):214-218.

[12] 伍志荣，万达，刘睿.大型自耦变压器和换流变压器局部放电脉冲特征及实例分析[J].变压器，2022,59(2):24-32.

文章来源：机械管理开发