基于漏磁通补偿的导磁钢板直流偏磁杂散损耗特性模拟

赵志刚 程志光 刘福贵 刘 洋 刘兰荣 汪友华 杨庆新

基于漏磁通补偿的导磁钢板直流偏磁杂散损耗特性模拟

赵志刚1程志光2刘福贵1刘 洋2刘兰荣2汪友华1杨庆新3

（1. 河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130 2. 保定天威集团有限公司技术中心 保定 071056 3. 天津工业大学电气工程与自动化学院 天津 300387）

为了研究电力变压器内部由导磁钢板（Q235B）组成的结构件（如铁心拉板、变压器油箱等）在直流偏磁工作状态下的杂散损耗特性。本文提出了一种基于漏磁通补偿的杂散损耗模拟方法，设计和研制了相关的实验模型，并进行了详细地实验研究和对比分析。重点考察不同程度的直流偏磁激励下导磁钢板的杂散损耗和漏磁通分布，研究交流激励和直流激励之间的交叉作用对杂散损耗特性的影响。通过详细地模型实验研究，分别获得了电力变压器内由导磁钢板组成的结构件在标准的正弦激励作用和直流偏置激励作用时的杂散损耗和漏磁通的分布情况并进行了对比分析。所得实验数据、结果和结论可为电力变压器的电磁设计和优化提供参考，具有一定的工程实用价值。

电力变压器 直流偏磁 导磁钢板 杂散损耗

1 引言

大型电力变压器中，由导磁钢板组成的结构件（如变压器油箱、铁心拉板）中的损耗分布，在电力变压器设计过程中是备受关注的问题之一[1-4]。漏磁通进入导电实体或叠片构件中感应产生的三维涡流场和损耗计算是一个很具挑战性的问题[5-13]，其直接的工程背景是大型电力变压器的漏磁通进入铁心拉板和变压器油箱，可能导致危险的局部过热需要采取减少杂散损耗的措施，这对于大容量超高压电力变压器的设计尤其重要[14-17]。

不同的激励条件下，电工材料会表现出不同的电磁性能[18]。直流偏磁是电力变压器的非正常工作状态，目前广泛存在的是由高压直流输电系统（HVDC）引起的变压器直流偏磁问题，当直流输电系统以单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，流入大地的直流电流会使附近中性点接地的交流变压器发生直流偏磁。因此，集中研究变压器在直流偏磁工作条件下的规律和特性至关重要。国内外文献就交直流混合输电所产生的问题进行了一些研究和探讨，就流入中性点的直流电流提出了一些抑制措施，其中对直流偏磁变压器的激磁电流也有一些专题研究[19-23]。

变压器在直流偏磁工作条件下，由于直流磁通的作用使得变压器铁心的半周饱和程度加剧，漏磁通增大，因此直流偏磁条件下变压器叠片铁心的电磁特性研究成为变压器生产和运行厂商密切关注的问题，作者对此已进行了较系统的数值仿真和实验研究工作[24-27]。然而，直流偏磁条件下变压器结构件的杂散损耗特性至今未见系统的研究报道。

在实验研究中，杂散损耗总是与其他损耗成分混合在一起，因而，不能直接测量杂散损耗，很难准确将构件上的损耗从总损耗中分离。本文设计并研制了具有漏磁通补偿功能的变压器结构件杂散损耗实验模型，采用与在线运行的变压器发生直流偏磁时相同的交直流串联的激励方式，重点研究不同直流偏置磁场和交流激励交叉作用时，偏置漏磁通在导磁钢板组成的结构件中的杂散损耗特性并进行了对比分析，对于电力变压器设计阶段的电磁性能分析具有一定的指导意义。

2 模型结构及激励方式

本文设计并研制了如图1所示的具有漏磁通补偿功能的变压器结构件杂散损耗实验模型。对大型电力变压器中由导磁钢板组成的结构件，由于直流偏磁漏磁通感应产生的杂散损耗进行了详细地实验研究。

图1 实验模型及结构参数Fig.1 Structure and parameters of test model

实验模型由两个对称的铁心（激励铁心、镜像铁心）和线圈（激励线圈、镜像线圈）、装置支架、运动部件和被试品组成，并且均严格按照现有典型变压器产品结构设计，主要技术数据为：

（1）铁心规格：硅钢片牌号：30P120，2个铁心结构尺寸均为600mm×100mm×200mm，90kg×2个。

（2）激励线圈：导线型号QQ-2，线径Φ1.60mm，两根并绕，260匝/2层，中间抽头，激励线圈和镜像线圈绕向相反。

（3）被试品：导磁钢板（Q235B），尺寸为：1 000mm×500mm×10mm。

实验研究中，为了直观地分辨直流偏置磁场对导磁钢板杂散损耗的影响，本文采用不同的直流偏置电流和交流电压的交叉激励，对导磁钢板的电磁性能进行了详细地实验研究和分析，各种激励方式如表1所示。

表1 模型激励条件Tab.1 The exciting condition of the model

3 实验研究

3.1 实验原理

模型实验中，由于负载（放置被试品）测量中激励铁心材料的非线性，造成负载损耗测量时引入了铁心的非线性铁损及线圈涡流损耗。为了分离出负载情况下除导磁钢板以外的损耗，本文设计了一个空载（未放置被试品）模型来测量除导磁钢板以外的损耗（包括铁心损耗和激励线圈的涡流损耗）。如果实验模型在空、负载工况下铁心的工作磁通密度和空间漏磁场分布均相同，即可保证空、负载状况下激励铁心和激励线圈涡流损耗相等。

3.1.1 二维仿真分析

模型的二维仿真，主要目的是为了考察补偿铁心和线圈对空间漏磁场分布的影响。

图2 二维仿真模型及磁场分布Fig.2 2-D simulation model and magnetic field distribution

仿真模型如图2a所示，空、负载工况下漏磁场分布分别如图 2b、图 2c所示。从图 2所示的二维仿真结果可以看出，本文提出的实验模型在空、负载工况下激励线圈空间漏磁场分布具有很好的一致性。这样可以保证在导磁钢板杂散损耗测量时，实验模型空、负载两种工况下，激励线圈的涡流损耗相同。

3.1.2 实验线路

杂散损耗实验原理参见图 3，负载工况接线如图4所示，杂散损耗数据由精密功率分析仪（WT3000，横河）测量。

图3 结构件杂散损耗测量实验原理Fig.3 Experimental scheme for measuring stray loss of shunts

3.2 实验方法

3.2.1 损耗的测量

图4 实验接线图（负载）Fig.4 Experimental wiring diagram (Load condition)

放置被试结构件，施加激励使测量线圈的感应电压到达指定数值（即达到指定漏磁强度），记录测量线路的总损耗 Pl（包括导磁钢板损耗、激励铁心损耗和激励线圈涡流损耗）。然后移去被试，对激励线圈和镜像线圈同时施加激励，形成方向相反的磁场，当测量线圈的感应电压达到负载状态的指定数值时（这样可以保证铁心的工作磁通密度一致，则铁心损耗相同），记录测量线路的总损耗 P0（包括两倍的铁心损耗和线圈损耗），则被试构件的损耗Pt为

表2 杂散损耗测量结果Tab.2 Measured results of stray-field loss

3.2.2 磁屏蔽表面磁通密度的测定

为了考察空气中（导磁钢板表面）的磁通密度分布情况，采用高斯计（7010 F.W.BELL，美国）对应于图5所示位置，对导磁钢板表面的磁通密度进行了测量。

图5 导磁钢板表面磁通密度测量位置示意图Fig.5 The magnetic flux density measuring position on the surface of the magnetic shielding

4 不同偏磁条件下的测量结果

4.1 损耗测量结果

基于本文提出并建立的实验模型，按照表1所示的激励条件，对导磁钢板在上述30种不同的激励条件下进行了详细地实验研究，杂散损耗测量结果示于表2和图 6。

图6 不同激励条件下杂散损耗比较Fig.6 Comparison of measured stray-field loss

经过上述详细地实验研究结果表明，在表1所示的 27种直流偏置漏磁通的激励条件下（激励方式：C2-C10、C12-C20、C22-C30），导磁钢板构件的杂散损耗相对于在幅值相等的标准正弦漏磁通激励条件下（激励方式：C1、C11、C21）产生的杂散损耗未见实质性的差异。可能由于实验过程中随着激励电流的增大引起的激励线圈温度的升高所导致的电阻损耗增加没有充分考虑。

4.2 磁通密度测量结果

为了进一步考察不同偏磁激励条件下空气中（导磁钢板表面和激励铁心端部）漏磁通的分布规律，本文采用高斯计（Model 7010，F. W. Bell，美国）对导磁钢板表面和激励铁心端部中心位置的法向交流和直流漏磁通密度分别进行了测量。导磁钢板表面的直流磁通密度测量结果，如图7所示，可以看出在不同的交流激励作用下，对应于相同的直流偏置电流，导磁钢板表面的直流磁通密度分布基本一致。

图7 不同激励条件下直流漏磁通密度测量结果比较Fig.7 Comparison of measured DC leakage flux density

对于相同的交流激励电压，导磁钢板表面特定位置的交流漏磁通密度相同（与直流偏置电流的大小无关），因此以C5、C15、C25为例给出对应于交流激励电压分别为50V、75V、100V时导磁钢板表面的交流漏磁通密度测量结果，如表3所示。

表3 导磁钢板表面交流漏磁通密度测量结果Tab.3 Measured results of ac leakage flux density

激励铁心端部中心位置的直流磁通密度和交流磁通密度测量结果如图8所示。可以看出，当施加的交流激励电压给定时，由激励铁心进入空气中的漏磁通交流分量保持不变，而直流分量随着所施加的直流激励的增加呈现变大的趋势，与空气中垂直进入导磁钢板的漏磁通分布规律一致。

图8 不同激励条件下激励铁心端部磁密测量结果比较Fig.8 Comparison of measured flux density of iron core end plane under different exciting conditions

从图7和表3所示的结果不难看出，交流漏磁通和直流漏磁通在导磁钢板表面的分布具有相同的规律，且同一位置的直流漏磁通随着所施加的直流激励的增加呈现变大的趋势，即漏磁通的偏置程度逐渐增强。在本文所述的实验模型和激励条件下，随着交流激励电压（漏磁通交流分量）的增大导磁钢板的杂散损耗表现出明显增大的趋势（见图6）；虽然垂直进入导磁钢板内部的直流偏置漏磁通逐渐增大，但是导磁钢板的杂散损耗测量结果未见明显的差异。

5 结论

（1）提出了一种基于漏磁通补偿原理的杂散损耗测量方法并研制了相关的实验模型，基于该模型对直流偏磁不同的交流激励和直流偏置磁场交叉作用时，导磁钢板中的杂散损耗进行了详细地实验研究和对比分析。

（2）获得了直流偏置漏磁通作用下，变压器内由导磁钢板组成的结构中的杂散损耗和漏磁通密度的实际情况和变化规律。

（3）本文所获得的测量和计算结果、结论，可为电力变压器的电磁设计提供数据支撑，对于优化结构设计及应用研究等具有一定的指导意义。

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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

赵志刚 男，1981年生，博士，博士后，主要从事工程电磁场与磁技术方面的研究工作。

国家自然科学基金（51237005/51107026/27/38），中国博士后科学基金（2013M530866），河北省自然科学基金（E2013202130），河北省高等学校科学技术研究基金（Q2012094）和国家电网科技项目（sgri-wd-71-13）资助。

2013-11-22 改稿日期 2013-12-11

程志光 男，1942年生，教授级高级工程师，主要从事工程电磁场分析、磁性材料模拟与工业应用等方面的研究。