大容量變壓器低壓引線過熱分析

西門子變壓器（武漢）有限公司 谷占坤

變壓器運行時，變壓器內部的交變磁場會在線圈、鐵心、鐵心片、油箱等結構件中產生附加損耗，這些損失最終會轉化為熱量，其中一部分熱量提高了各部件的溫度，而另一部分熱量則通過部件附近的冷卻介質散出去。變壓器通常是按20年使用時間來設計，其中絕緣材料的壽命直接影響變壓器的使用時間。油浸式變壓器絕緣材料的耐熱等級是A級,其長期工作溫度不得超過105℃。根據GB/T 15164-1994《油浸式電力變壓器負荷導則》，變壓器絕緣的熱老化壽命以熱點溫度98℃為基礎，當溫度升高6℃時老化速率增加1倍，當溫度降低6℃時壽命降低一半[1]。

由此可見，變壓器設計時各部件溫升是必須要考慮的問題，它不僅關系到變壓器的運行經濟性、運行壽命，還將影響到變壓器的安全運行。GB 1094.2-1996《電力變壓器溫升》對變壓器的溫升限值做了明確規定。其中油浸式變壓器規定：頂層油溫升60K；繞組平均溫升65K[2]。對于鐵芯、繞組外的電氣連接件和油箱內部的結構件雖然沒有規定溫升限值，但仍要求溫升不宜過高，一般不超過80K，以免對相鄰部件造成熱損傷或油過度老化[3]。如果引線電流過大，大電流會在附近產生較大的漏磁場，造成其周圍的金屬部件內部損耗密度過高，從而引起局部過熱。為減少這部分損耗、消除局部過熱，變壓器油箱內通常焊接磁屏蔽（由高導磁材料組成）或電磁屏蔽（由高電導率材料組成）。

1 磁屏蔽

電磁屏蔽是抑制以場的形式形成的干擾的有效方法。所謂電磁屏蔽就是用一定形狀的材料（導電材料或磁性材料）將被屏蔽的區域密封起來，形成電磁隔離，即內部的電磁場不能走出這個區域，而外部輻射電磁場也不能進入該區域，或者出該區域的電磁能量被大大衰減[4]。電磁屏蔽按屏蔽原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽與電磁場屏蔽。電場屏蔽包括靜電場屏蔽與交變電場屏蔽；磁場屏蔽分為恒定磁場屏蔽和交變磁場屏蔽。

恒定磁場屏蔽的原理是利用了高磁導率材料的低磁阻特性，當導磁材料周圍有磁場時，磁場優先通過磁電阻較小的路徑而不擴散到周圍空間，從而對周圍起到屏蔽作用。因為磁力線是一條連續的閉合曲線，所以我們可以把磁通量形成的閉合回路稱為磁路，由磁路理論可知Um=RmΦm，式中Um是磁路兩點之間的磁位差（A），Φm為是通過磁路的磁通量（Wb），Rm是磁路中兩點之間的磁阻：

如果磁路的橫截面S是均勻的而磁場也是均勻的，則上述公式可簡化為：

式中μ為材料磁導率（H/m），S為磁路截面積（m2）,l為磁路長度（m）。從公式中可以看出，當兩點間的磁勢差Um一定時，磁阻Rm越小磁通量Φm越大；從上面的公式可看出，Rm與μ成反比，磁導率μ越大而磁阻Rm越小，此時磁通量主要通過磁阻小的媒質形成磁路。因為磁性材料的磁導率μ比空氣的磁導率大，所以磁性材料的磁阻很小，當磁性材料置于磁場中時，磁通量主要通過磁性材料，而通過空氣的磁通量則很少，從而起到磁場屏蔽的作用。磁屏蔽材料的磁阻與材料的磁導率成反比。磁導率越大磁阻則越小。因此，鐵、硅鋼和坡莫合金等鐵磁性材料通常用于磁屏蔽。采用磁屏蔽時，屏蔽越厚、磁導率越高、磁阻則越小，屏蔽效果也就越好；制作屏蔽罩時，開口和縫隙不應該割斷磁力線，否則就增加了屏蔽的磁阻，從而降低了磁屏蔽的屏蔽效果[5]。

在交變電磁場中，電場分量與磁場分量是共存的，但在低頻電磁場中，一般干擾發生在近場，而在近場中，根據干擾源的特性不同其電場分量和磁場分量也會不同。高電壓小電流主要產生電場，其中的磁場分量則可忽略不計。低電壓大電流的干擾源則主要產生磁場，其電場分量可以忽略不計，對其屏蔽時可只屏蔽磁場。高頻磁場的屏蔽是用銅、鋁等低電阻率的良導體材料制成的，屏蔽原理是利用屏蔽體表面磁感應現象產生的渦流的反磁場來屏蔽，即利用渦流反磁場對原磁場的反向作用來抵消原磁場[6]。

根據電磁感應定律，閉合回路中產生的感應電動勢等于通過環路的磁通量的時間變化率。根據倫茨定律，感應電動勢產生感應電流，感應電流產生的磁通量反過來會阻止原來磁通量的變化，也就是感應電流產生的磁通量方向與原磁通量變化的方向相反。當高頻磁場通過金屬板時，金屬板中便會產生感應電動勢，而形成環行電流即渦流。金屬板中渦流產生的反向磁場將抵消金屬板的原始磁場，這就是感應渦流產生的反磁場對原磁場的排斥作用，但感應渦流產生的反磁場磁力線繞過金屬板的側面，也就增強了金屬板側面的磁場[7]。

2 變壓器的電磁場

麥克斯韋方程組概括了宏觀電磁現象的其本規律與特性。其微分形式如下：Δ×H=J+(?D/?t)，Δ×E=-(?B/?t)，Δ×B=0，Δ×D=ρ。媒質特性構成方程組為：D=εE、B=μH、Jc=γE。從公式可看出,時變電磁場的變化率較高時,就必須同時考慮磁場變化（?B/?t）產生的感應電場和電場變化（?D/?t）產生的感應磁場。此時，時變電場與時變磁場相互制約、相互依賴，這種時變電磁場通常稱為動態電磁場。在動態電磁場中，根據激勵源的頻率可分為高頻電磁場和低頻電磁場。

對于低頻電磁場，由于電磁場隨時間t變化緩慢，可忽略方程組中的?B/?t和?D/?t，簡化計算過程而不影響工程計算精度。簡化后的電磁場具有恒定電磁場的特性，稱為準靜態電磁場。根據被忽略的?B/?t和?D/?t項，對應的準靜態電磁場可進一步分為電準靜態場和磁準靜態場。時變磁場的激發源為傳導電流密度Jc(t)和位移電流密度Jd=?D/?t。在低頻電磁場中，若Jd<

變壓器工作在50Hz或60Hz，是典型的低頻電器，內部電磁場可看作準靜態電磁場，其磁場可看作磁準靜態場，對其漏磁場的屏蔽可按恒定磁場去處理，選用低磁阻高磁導率的鐵磁材料引導磁場按設計路徑環流。又因為磁準靜態場同時又具有時變磁場的特性，如上式所對應的時變電場，可選用高電導率材料產生的渦流來屏蔽變壓器漏磁場。目前變壓器內部使用的磁屏蔽主要由這兩種屏蔽組成。

3 相關內容及處理方案

3.1 基本情況

此產品為出口美國的一臺變壓器，型號為SFP-607MVA/345kV，聯結組別為YNd1，低壓電壓為20.3kV,相電流為9967.16A，低壓每相由兩只套管引出。內部引線采用雙銅排并聯水平布置。由于低壓電流達到9967.16A，其引線周圍存在很大的漏磁場，為防止周邊鐵件局部過熱，在油箱下部裝有高導磁硅鋼片磁屏蔽，在上部水平方向放置了同樣的磁屏蔽，在磁屏蔽上方手孔位置焊裝了銅屏蔽，此外低壓引線附近的油箱壁、法蘭及蓋板都采用了無磁鋼板。考慮到加工困難，銅屏蔽與水平磁屏蔽之間保留了20mm焊接縫隙。試驗結果顯示存在局部過熱，過熱位置在油箱手孔下方箱壁（圖1）。

圖1 油箱局部過熱紅外圖

3.2 原因分析

油箱采用無磁鋼板，內壁焊有磁屏蔽與銅屏蔽，試驗結果顯示箱壁有局部過熱點，由下圖可看出過熱點剛好位于油箱手孔下部，而非法手孔處無過熱現象，手孔的布置影響了磁場的分布。低壓引線布置圖顯示過熱點正對低壓引線下部銅排附近，此處漏磁場比較大；過熱點位于銅屏蔽與磁屏蔽接縫附近，屬于屏蔽盲區，磁場更容易從此處穿越；由于磁屏蔽使用高導磁材料，使磁屏蔽內部磁阻遠小于周圍介質，周圍的磁力線會聚攏在磁屏蔽內部，使磁屏蔽周圍磁力線集中；由于上部焊有銅屏蔽，由上文可知，銅屏蔽可改變磁力線的分布，減弱銅屏蔽覆蓋區的磁場，從而加強了其周邊的磁場，故接縫處磁場會加強。

由于手孔的原因，銅屏蔽在手孔位置進行了挖孔處理，特別是在銅屏蔽下部，僅有小部分銅板相連，如果將孔周圍看作一個環形導線，無疑下部是導線最細的位置，孔周圍銅板中由于電磁感應會出現環形電流，在下部導線最細的位置傳導電流密度Jc(t)達到最大，由Δ×H=J可知，下部磁場強度也達到最集中；不導磁鋼板相對磁導率大概在1至1.5之間，實際材料可能會高于聲稱值，如果局部磁通密度過高也會導致局部發熱。由于以上幾種原因，手孔下部磁場疊加達到最大引起局部過熱。

3.3 模擬計算

為驗證以上分析，對變壓器此處磁場進行了ansoft有限元分析計算。首先按照靜磁場計算得出低壓大電流引線附近磁場分布，顯示在磁屏蔽拐角處磁感強度明顯較高。在不考慮箱壁手孔四周銅板環流時，通過渦流分析，箱壁的磁場分布顯示銅板對磁場有明顯的阻擋作用，磁屏蔽對磁場有吸附作用，磁力線在接縫處的有穿越和匯聚加強現象。

3.4 處理方案

根據以上分析和計算，只要改變屏蔽結構和布置就可消除過熱點，但鑒于產品已處于試驗階段，不允許對屏蔽結構作較大更改，因此采用了在低壓引線和油箱壁之間增銅板方案。由于引線和油箱壁之間增了銅板，低壓引線的漏磁場穿過油箱壁磁通量小了很多，大部分磁力線被磁屏蔽吸附，油箱壁內磁通密度大大降低，從而消除了油箱過熱，順利通過試驗。改進后的渦流分析如圖2，由分析可知增加銅屏蔽后，油箱壁內的磁場降到了很低的水平，完全消除了局部過熱。

圖2 改進后渦流分析磁場分布

4 結語

變壓器過熱問題應給予足夠的重視，特別是低壓大電流產品更易出現過熱問題。變壓器內部電磁場是非常復雜的，即使借助分析軟件計算也只能做定性參考很準確計算，因此要求產品設計時應將風險降到最低,設計磁屏蔽時應注意：銅屏蔽與磁屏蔽之間做好搭接。理論上磁屏蔽上孔縫越小越好，孔縫的存在會減弱屏蔽效果，如無法避免孔縫應盡量縮至最小，以免磁場局部集中；銅屏蔽不應開過大孔洞。銅屏蔽上開孔不僅會削弱屏蔽效果，且會加大孔周圍的感應電流密度，從而使其附近的磁場強度加強，引起過熱；銅屏蔽空洞邊緣避免過窄。如銅屏蔽無法避免開孔洞應避免將孔洞開在屏蔽邊緣，以防止局部傳導電流密度過大而感應強磁場引起過熱。