基于漏磁通補償的導磁鋼板直流偏磁雜散損耗特性模擬

趙志剛 程志光 劉福貴 劉 洋 劉蘭榮 汪友華 楊慶新

基于漏磁通補償的導磁鋼板直流偏磁雜散損耗特性模擬

趙志剛1程志光2劉福貴1劉 洋2劉蘭榮2汪友華1楊慶新3

（1. 河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130 2. 保定天威集團有限公司技術中心 保定 071056 3. 天津工業大學電氣工程與自動化學院 天津 300387）

為了研究電力變壓器內部由導磁鋼板（Q235B）組成的結構件（如鐵心拉板、變壓器油箱等）在直流偏磁工作狀態下的雜散損耗特性。本文提出了一種基于漏磁通補償的雜散損耗模擬方法，設計和研制了相關的實驗模型，并進行了詳細地實驗研究和對比分析。重點考察不同程度的直流偏磁激勵下導磁鋼板的雜散損耗和漏磁通分布，研究交流激勵和直流激勵之間的交叉作用對雜散損耗特性的影響。通過詳細地模型實驗研究，分別獲得了電力變壓器內由導磁鋼板組成的結構件在標準的正弦激勵作用和直流偏置激勵作用時的雜散損耗和漏磁通的分布情況并進行了對比分析。所得實驗數據、結果和結論可為電力變壓器的電磁設計和優化提供參考，具有一定的工程實用價值。

電力變壓器 直流偏磁 導磁鋼板 雜散損耗

1 引言

大型電力變壓器中，由導磁鋼板組成的結構件（如變壓器油箱、鐵心拉板）中的損耗分布，在電力變壓器設計過程中是備受關注的問題之一[1-4]。漏磁通進入導電實體或疊片構件中感應產生的三維渦流場和損耗計算是一個很具挑戰性的問題[5-13]，其直接的工程背景是大型電力變壓器的漏磁通進入鐵心拉板和變壓器油箱，可能導致危險的局部過熱需要采取減少雜散損耗的措施，這對于大容量超高壓電力變壓器的設計尤其重要[14-17]。

不同的激勵條件下，電工材料會表現出不同的電磁性能[18]。直流偏磁是電力變壓器的非正常工作狀態，目前廣泛存在的是由高壓直流輸電系統（HVDC）引起的變壓器直流偏磁問題，當直流輸電系統以單極大地回線方式或雙極不平衡方式運行時，流入大地的直流電流會使附近中性點接地的交流變壓器發生直流偏磁。因此，集中研究變壓器在直流偏磁工作條件下的規律和特性至關重要。國內外文獻就交直流混合輸電所產生的問題進行了一些研究和探討，就流入中性點的直流電流提出了一些抑制措施，其中對直流偏磁變壓器的激磁電流也有一些專題研究[19-23]。

變壓器在直流偏磁工作條件下，由于直流磁通的作用使得變壓器鐵心的半周飽和程度加劇，漏磁通增大，因此直流偏磁條件下變壓器疊片鐵心的電磁特性研究成為變壓器生產和運行廠商密切關注的問題，作者對此已進行了較系統的數值仿真和實驗研究工作[24-27]。然而，直流偏磁條件下變壓器結構件的雜散損耗特性至今未見系統的研究報道。

在實驗研究中，雜散損耗總是與其他損耗成分混合在一起，因而，不能直接測量雜散損耗，很難準確將構件上的損耗從總損耗中分離。本文設計并研制了具有漏磁通補償功能的變壓器結構件雜散損耗實驗模型，采用與在線運行的變壓器發生直流偏磁時相同的交直流串聯的激勵方式，重點研究不同直流偏置磁場和交流激勵交叉作用時，偏置漏磁通在導磁鋼板組成的結構件中的雜散損耗特性并進行了對比分析，對于電力變壓器設計階段的電磁性能分析具有一定的指導意義。

2 模型結構及激勵方式

本文設計并研制了如圖1所示的具有漏磁通補償功能的變壓器結構件雜散損耗實驗模型。對大型電力變壓器中由導磁鋼板組成的結構件，由于直流偏磁漏磁通感應產生的雜散損耗進行了詳細地實驗研究。

圖1 實驗模型及結構參數Fig.1 Structure and parameters of test model

實驗模型由兩個對稱的鐵心（激勵鐵心、鏡像鐵心）和線圈（激勵線圈、鏡像線圈）、裝置支架、運動部件和被試品組成，并且均嚴格按照現有典型變壓器產品結構設計，主要技術數據為：

（1）鐵心規格：硅鋼片牌號：30P120，2個鐵心結構尺寸均為600mm×100mm×200mm，90kg×2個。

（2）激勵線圈：導線型號QQ-2，線徑Φ1.60mm，兩根并繞，260匝/2層，中間抽頭，激勵線圈和鏡像線圈繞向相反。

（3）被試品：導磁鋼板（Q235B），尺寸為：1 000mm×500mm×10mm。

實驗研究中，為了直觀地分辨直流偏置磁場對導磁鋼板雜散損耗的影響，本文采用不同的直流偏置電流和交流電壓的交叉激勵，對導磁鋼板的電磁性能進行了詳細地實驗研究和分析，各種激勵方式如表1所示。

表1 模型激勵條件Tab.1 The exciting condition of the model

3 實驗研究

3.1 實驗原理

模型實驗中，由于負載（放置被試品）測量中激勵鐵心材料的非線性，造成負載損耗測量時引入了鐵心的非線性鐵損及線圈渦流損耗。為了分離出負載情況下除導磁鋼板以外的損耗，本文設計了一個空載（未放置被試品）模型來測量除導磁鋼板以外的損耗（包括鐵心損耗和激勵線圈的渦流損耗）。如果實驗模型在空、負載工況下鐵心的工作磁通密度和空間漏磁場分布均相同，即可保證空、負載狀況下激勵鐵心和激勵線圈渦流損耗相等。

3.1.1 二維仿真分析

模型的二維仿真，主要目的是為了考察補償鐵心和線圈對空間漏磁場分布的影響。

圖2 二維仿真模型及磁場分布Fig.2 2-D simulation model and magnetic field distribution

仿真模型如圖2a所示，空、負載工況下漏磁場分布分別如圖 2b、圖 2c所示。從圖 2所示的二維仿真結果可以看出，本文提出的實驗模型在空、負載工況下激勵線圈空間漏磁場分布具有很好的一致性。這樣可以保證在導磁鋼板雜散損耗測量時，實驗模型空、負載兩種工況下，激勵線圈的渦流損耗相同。

3.1.2 實驗線路

雜散損耗實驗原理參見圖 3，負載工況接線如圖4所示，雜散損耗數據由精密功率分析儀（WT3000，橫河）測量。

圖3 結構件雜散損耗測量實驗原理Fig.3 Experimental scheme for measuring stray loss of shunts

3.2 實驗方法

3.2.1 損耗的測量

圖4 實驗接線圖（負載）Fig.4 Experimental wiring diagram (Load condition)

放置被試結構件，施加激勵使測量線圈的感應電壓到達指定數值（即達到指定漏磁強度），記錄測量線路的總損耗 Pl（包括導磁鋼板損耗、激勵鐵心損耗和激勵線圈渦流損耗）。然后移去被試，對激勵線圈和鏡像線圈同時施加激勵，形成方向相反的磁場，當測量線圈的感應電壓達到負載狀態的指定數值時（這樣可以保證鐵心的工作磁通密度一致，則鐵心損耗相同），記錄測量線路的總損耗 P0（包括兩倍的鐵心損耗和線圈損耗），則被試構件的損耗Pt為

表2 雜散損耗測量結果Tab.2 Measured results of stray-field loss

3.2.2 磁屏蔽表面磁通密度的測定

為了考察空氣中（導磁鋼板表面）的磁通密度分布情況，采用高斯計（7010 F.W.BELL，美國）對應于圖5所示位置，對導磁鋼板表面的磁通密度進行了測量。

圖5 導磁鋼板表面磁通密度測量位置示意圖Fig.5 The magnetic flux density measuring position on the surface of the magnetic shielding

4 不同偏磁條件下的測量結果

4.1 損耗測量結果

基于本文提出并建立的實驗模型，按照表1所示的激勵條件，對導磁鋼板在上述30種不同的激勵條件下進行了詳細地實驗研究，雜散損耗測量結果示于表2和圖 6。

圖6 不同激勵條件下雜散損耗比較Fig.6 Comparison of measured stray-field loss

經過上述詳細地實驗研究結果表明，在表1所示的 27種直流偏置漏磁通的激勵條件下（激勵方式：C2-C10、C12-C20、C22-C30），導磁鋼板構件的雜散損耗相對于在幅值相等的標準正弦漏磁通激勵條件下（激勵方式：C1、C11、C21）產生的雜散損耗未見實質性的差異。可能由于實驗過程中隨著激勵電流的增大引起的激勵線圈溫度的升高所導致的電阻損耗增加沒有充分考慮。

4.2 磁通密度測量結果

為了進一步考察不同偏磁激勵條件下空氣中（導磁鋼板表面和激勵鐵心端部）漏磁通的分布規律，本文采用高斯計（Model 7010，F. W. Bell，美國）對導磁鋼板表面和激勵鐵心端部中心位置的法向交流和直流漏磁通密度分別進行了測量。導磁鋼板表面的直流磁通密度測量結果，如圖7所示，可以看出在不同的交流激勵作用下，對應于相同的直流偏置電流，導磁鋼板表面的直流磁通密度分布基本一致。

圖7 不同激勵條件下直流漏磁通密度測量結果比較Fig.7 Comparison of measured DC leakage flux density

對于相同的交流激勵電壓，導磁鋼板表面特定位置的交流漏磁通密度相同（與直流偏置電流的大小無關），因此以C5、C15、C25為例給出對應于交流激勵電壓分別為50V、75V、100V時導磁鋼板表面的交流漏磁通密度測量結果，如表3所示。

表3 導磁鋼板表面交流漏磁通密度測量結果Tab.3 Measured results of ac leakage flux density

激勵鐵心端部中心位置的直流磁通密度和交流磁通密度測量結果如圖8所示。可以看出，當施加的交流激勵電壓給定時，由激勵鐵心進入空氣中的漏磁通交流分量保持不變，而直流分量隨著所施加的直流激勵的增加呈現變大的趨勢，與空氣中垂直進入導磁鋼板的漏磁通分布規律一致。

圖8 不同激勵條件下激勵鐵心端部磁密測量結果比較Fig.8 Comparison of measured flux density of iron core end plane under different exciting conditions

從圖7和表3所示的結果不難看出，交流漏磁通和直流漏磁通在導磁鋼板表面的分布具有相同的規律，且同一位置的直流漏磁通隨著所施加的直流激勵的增加呈現變大的趨勢，即漏磁通的偏置程度逐漸增強。在本文所述的實驗模型和激勵條件下，隨著交流激勵電壓（漏磁通交流分量）的增大導磁鋼板的雜散損耗表現出明顯增大的趨勢（見圖6）；雖然垂直進入導磁鋼板內部的直流偏置漏磁通逐漸增大，但是導磁鋼板的雜散損耗測量結果未見明顯的差異。

5 結論

（1）提出了一種基于漏磁通補償原理的雜散損耗測量方法并研制了相關的實驗模型，基于該模型對直流偏磁不同的交流激勵和直流偏置磁場交叉作用時，導磁鋼板中的雜散損耗進行了詳細地實驗研究和對比分析。

（2）獲得了直流偏置漏磁通作用下，變壓器內由導磁鋼板組成的結構中的雜散損耗和漏磁通密度的實際情況和變化規律。

（3）本文所獲得的測量和計算結果、結論，可為電力變壓器的電磁設計提供數據支撐，對于優化結構設計及應用研究等具有一定的指導意義。

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Modeling of the Dc-Biased Stray-Field Loss of Magnetic Steel Plate Based on Compensator of Leakage Flux

Zhao Zhigang1 Cheng Zhiguang2 Liu Fugui1 Liu Yang2 Liu Lanrong2 Wang Youhua1 Yang Qingxin3

（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Research & Development Center, Baoding Tianwei Group Co., Ltd 071056 China 3. Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China）

In order to study the stray-field loss properties of the transformer structural parts under various dc biased condition, which are made of the magnetic steel plate(Q235B), a test model with compensator of leakage flux is proposed and manufactured in this paper. The distribution of stray-field loss is investigated in detail based on the test model. The different electromagnetic behavior of the magnetic steel plate under the interaction between the ac exciting source and the dc exciting source is also examined. The stray-field loss and leakage flux of magnetic steel plate under different dc-biased magnetizations is obtained experimentally and the comparison of measured results is carried out. These have important significance in improving the performance of magnetic shielding by optimizing design.

Power transformer, DC bias, magnetic steel plate, stray-field loss

TM201.4+5

趙志剛 男，1981年生，博士，博士后，主要從事工程電磁場與磁技術方面的研究工作。

國家自然科學基金（51237005/51107026/27/38），中國博士后科學基金（2013M530866），河北省自然科學基金（E2013202130），河北省高等學校科學技術研究基金（Q2012094）和國家電網科技項目（sgri-wd-71-13）資助。

2013-11-22 改稿日期 2013-12-11

程志光 男，1942年生，教授級高級工程師，主要從事工程電磁場分析、磁性材料模擬與工業應用等方面的研究。