大型油浸式變壓器箱體漏磁場(chǎng)屏蔽研究

陶國(guó)彬 王宏建 侯文碩 王 天 李 豪

（東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院）

我國(guó)大力發(fā)展特高壓輸電工程，它具有輸電容量大、送電距離長(zhǎng)、走廊效率高、聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)、線路損耗低和工程投資省六大優(yōu)勢(shì)［1］。 截至2019年6月，特高壓輸電工程已建成“九交十直”。 大力建設(shè)特高壓電網(wǎng)使得大型油浸式變壓器［2］制造業(yè)的發(fā)展得到了極大的促進(jìn)，近十年來(lái)變壓器產(chǎn)量和銷(xiāo)售收入不斷上升，市場(chǎng)發(fā)展良好［3］。

隨著輸電網(wǎng)電壓等級(jí)和電網(wǎng)容量的不斷增加，大型油浸式變壓器的電壓等級(jí)和容量也隨之增加。 工程上指出，當(dāng)變壓器的容量為電網(wǎng)總?cè)萘康?～10倍時(shí)，電網(wǎng)才能維持正常工作［4］。隨著變壓器電壓等級(jí)和容量的升高，在制作過(guò)程中其體積會(huì)增加，同時(shí)產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)也隨之增強(qiáng)，但是主磁通增加的速率小于漏磁通增加的速率［5～7］。因此，迫切需要對(duì)大型油浸式變壓器漏磁場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行深入的理論分析，借此減小漏磁通的磁場(chǎng)強(qiáng)度，削弱漏磁通對(duì)變壓器的影響。

Ansoft Maxwell有限元電磁場(chǎng)軟件避免了復(fù)雜的公式推導(dǎo)，只需要建立模型并對(duì)它進(jìn)行設(shè)置就能取得較為精確的解，因此在電子、電力、變壓器、分析力學(xué)、電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)及電機(jī)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用［8］。 在此，筆者采用Ansoft Maxwell有限元電磁場(chǎng)軟件來(lái)分析和求解大型油浸式變壓器箱體漏磁場(chǎng)問(wèn)題， 同時(shí)提出一種屏蔽結(jié)構(gòu)，并確定其屏蔽參數(shù)。

1 建立變壓器模型

1.1 技術(shù)參數(shù)

以國(guó)家電網(wǎng)公司35～220kV設(shè)備招標(biāo)時(shí)中標(biāo)的變壓器為設(shè)計(jì)依托對(duì)象，其技術(shù)參數(shù)如下：

規(guī)格型號(hào) OSFPS7-120000/220

額定容量 120 000/120 000/60 000kVA

額定電壓 220±2×2.5%/121/38.5±5%kV

主機(jī)外形尺寸（L×B×H） 8030mm×4790mm×7690mm

聯(lián)結(jié)組別號(hào) YN，a0，yn0

空載損耗 99kW

負(fù)載損耗 346kW

空載電流 0.49%

短路阻抗 13%

冷卻方式 ONAF

器身重量 66.5t

相數(shù) 三相

頻率 50Hz

總重 147t

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)是建立模型的重中之重，具體如下：

油箱長(zhǎng)、寬、高 7 850、2 560、3 780mm

油箱壁厚 30mm

鐵芯直徑 890mm

鐵芯窗高 2 060mm

芯柱中心距 1 500mm

上下鐵軛高 460mm

壓環(huán)內(nèi)徑 1 540mm

壓環(huán)外徑 1 640mm

夾件長(zhǎng)、寬、高 5 300、50、280mm

底座長(zhǎng)、寬、高 1 430、445、270mm

1.3 材料參數(shù)

變壓器的材料參數(shù)具體見(jiàn)表1。

表1 變壓器材料參數(shù)

1.4 二維變壓器三視圖

根據(jù)以上參數(shù)搭建變壓器仿真模型，繪制出二維變壓器的三視圖（圖1），為了更好地呈現(xiàn)變壓器的俯視圖，圖1c中省略了上鐵軛。

圖1 二維變壓器三視圖

2 二維變壓器漏磁通仿真

對(duì)變壓器模型加載電流后進(jìn)行檢測(cè)和求解，得到二維狀態(tài)下的變壓器漏磁通磁感線分布，如圖2所示。 從磁感線的疏密程度可以看出，漏磁通大部分都是經(jīng)過(guò)鐵芯和油箱閉合，因此會(huì)在上面產(chǎn)生大量的渦流損耗。

由于鐵芯采用的是硅鋼片，所以經(jīng)由它閉合產(chǎn)生的漏磁通損耗低［10］。 提取油箱磁感線分布如圖3所示， 可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)由油箱閉合使得油箱內(nèi)表面的磁通過(guò)大，在變壓器箱壁造成很大的渦流損耗， 為此筆者將從5個(gè)方面探究采取不同屏蔽結(jié)構(gòu)來(lái)減小油箱漏磁通的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖2 變壓器漏磁通磁感線分布

圖3 油箱磁感線分布

2.1 箱頂屏蔽長(zhǎng)度

根據(jù)油箱頂部情況選取5個(gè)特征長(zhǎng)度 （表2）來(lái)探究該結(jié)構(gòu)對(duì)漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。 由于篇幅所限， 這里只列出特征長(zhǎng)度1、3、5的仿真結(jié)果（圖4）。 最終得到特征長(zhǎng)度1～5的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為10.242 0、9.366 3、9.085 7、9.090 8、9.097 1（×10-3Wb/m）。 可以看出，隨著箱頂屏蔽長(zhǎng)度的增加，漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之減小，當(dāng)減小到一定程度時(shí)，漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不發(fā)生變化。 因此，將箱頂屏蔽長(zhǎng)度確定為特征長(zhǎng)度3。

2.2 箱頂屏蔽厚度

表2 變壓器箱頂屏蔽長(zhǎng)度選取情況

圖4 不同箱頂屏蔽長(zhǎng)度下的仿真結(jié)果

根據(jù)大型油浸式變壓器油箱頂部情況選取8個(gè)厚度 （2、4、6、8、10、20、30、50mm） 來(lái)探究該結(jié)構(gòu)對(duì)漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。 由于篇幅所限，這里只列出4、10、30、50mm的仿真結(jié)果（圖5）。8種箱頂屏蔽厚度下的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為9.066 0、9.085 7、9.104 0、9.119 1、9.133 9、9.225 7、9.306 4、9.474 8（×10-3Wb/m）。 可以看出，箱頂屏蔽厚度與整個(gè)漏磁場(chǎng)的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度大致成正比， 考慮到變壓器器件的制造工藝與其所能承受的機(jī)械強(qiáng)度，最后確定箱頂屏蔽厚度為4mm。

圖5 不同箱頂屏蔽厚度下的仿真結(jié)果

2.3 箱壁屏蔽高度

根據(jù)箱壁情況選取4個(gè)特征高度 （表3）來(lái)探究該結(jié)構(gòu)對(duì)漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。 由于篇幅所限， 這里只列出特征高度1和4的仿真結(jié)果（圖6）。 4種箱壁屏蔽高度對(duì)應(yīng)的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為1.944 9、1.952 3、1.955 5、1.959 4（×10-3Wb/m）。 可以看出，無(wú)論箱壁屏蔽高度如何變化， 該結(jié)構(gòu)的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不發(fā)生變化， 因此將箱壁屏蔽高度確定為特征高度1，即與鐵芯等高。

表3 變壓器箱壁屏蔽高度選取情況

圖6 不同箱壁屏蔽高度下的仿真結(jié)果

2.4 箱壁屏蔽與箱壁距離

箱壁屏蔽與箱壁之間的距離分別設(shè)置為4、6、8、10、20、30、50、100、200mm 以 及 特 征 距 離A（箱壁到壓環(huán)1/4的距離）、特征距離B（箱壁到壓環(huán)1/2的距離）、特征距離C（箱壁到壓環(huán)3/4距離）。 由于篇幅所限，這里只列出箱壁屏蔽與箱壁之間的距離為6、10、50、200mm以及特征距離B、 特征距離C的仿真結(jié)果（圖7）。12種箱壁屏蔽與箱壁距離對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為1.940 7、1.941 2、1.941 9、1.942 1、1.944 0、1.946 8、1.951 1、1.963 3、1.989 2、2.025 7、2.214 0、2.613 7（×10-3Wb/m）?？梢钥闯觯?隨著箱壁屏蔽與箱壁距離的不斷增加，前期漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不發(fā)生變化，后期隨著距離的增加，漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度變化明顯。 考慮到變壓器油流分布與運(yùn)動(dòng)情況， 當(dāng)變壓器油流動(dòng)時(shí)，如果箱壁屏蔽與箱壁相距過(guò)近，那么相互摩擦產(chǎn)生的電流會(huì)危害到變壓器的正常運(yùn)行，因此選擇箱壁屏蔽與箱壁距離為10mm。

圖7 不同箱壁屏蔽與箱壁距離下的仿真結(jié)果

2.5 箱底屏蔽

選取了兩種箱底底部情況進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示。 箱底屏蔽1、2的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為2.037 4、2.263 2（×10-3Wb/m），可以看出增加箱底屏蔽與增加箱壁屏蔽相比，反而導(dǎo)致漏磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度上升。

圖8 箱底屏蔽和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.6 屏蔽效果分析

將2.1～2.5小節(jié)各種情況下選定的屏蔽所對(duì)應(yīng)的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行匯總，同時(shí)計(jì)算減小比例，結(jié)果見(jiàn)表4。 可以看出，增加屏蔽會(huì)有效降低漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度，其中箱頂屏蔽降低效果不太明顯， 箱壁屏蔽降低效果相當(dāng)明顯，在箱壁屏蔽基礎(chǔ)上增加的箱底屏蔽降低效果不太明顯。

表4 各種屏蔽情況匯總

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者所做的工作對(duì)提升大型油浸式變壓器的使用壽命和運(yùn)行可靠性有一定的幫助，能夠間接地保證輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 從二維狀態(tài)下的漏磁場(chǎng)箱體屏蔽研究仿真中可以得到以下結(jié)論：

a. 大型油浸式變壓器增加屏蔽會(huì)有效降低漏磁通的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

b. 增加箱頂屏蔽可降低約10%的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度；

c. 增加箱壁屏蔽可降低約80%的漏磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度，降低效果相當(dāng)明顯；

d. 在箱壁屏蔽基礎(chǔ)上增加箱底屏蔽使得整個(gè)漏磁通的磁場(chǎng)強(qiáng)度降低的程度反而減小，考慮到箱底布線錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)際情況，故不增加箱底屏蔽；

e. 屏蔽結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定為，箱頂長(zhǎng)度屏蔽為壓環(huán)到箱壁1/4距離、箱頂屏蔽厚度為4mm、箱壁屏蔽高度與鐵芯等高、箱壁屏蔽與箱壁的距離為10mm、不增加箱底屏蔽。