大容量变压器低压引线过热分析

西门子变压器（武汉）有限公司 谷占坤

变压器运行时，变压器内部的交变磁场会在线圈、铁心、铁心片、油箱等结构件中产生附加损耗，这些损失最终会转化为热量，其中一部分热量提高了各部件的温度，而另一部分热量则通过部件附近的冷却介质散出去。变压器通常是按20年使用时间来设计，其中绝缘材料的寿命直接影响变压器的使用时间。油浸式变压器绝缘材料的耐热等级是A级,其长期工作温度不得超过105℃。根据GB/T 15164-1994《油浸式电力变压器负荷导则》，变压器绝缘的热老化寿命以热点温度98℃为基础，当温度升高6℃时老化速率增加1倍，当温度降低6℃时寿命降低一半[1]。

由此可见，变压器设计时各部件温升是必须要考虑的问题，它不仅关系到变压器的运行经济性、运行寿命，还将影响到变压器的安全运行。GB 1094.2-1996《电力变压器温升》对变压器的温升限值做了明确规定。其中油浸式变压器规定：顶层油温升60K；绕组平均温升65K[2]。对于铁芯、绕组外的电气连接件和油箱内部的结构件虽然没有规定温升限值，但仍要求温升不宜过高，一般不超过80K，以免对相邻部件造成热损伤或油过度老化[3]。如果引线电流过大，大电流会在附近产生较大的漏磁场，造成其周围的金属部件内部损耗密度过高，从而引起局部过热。为减少这部分损耗、消除局部过热，变压器油箱内通常焊接磁屏蔽（由高导磁材料组成）或电磁屏蔽（由高电导率材料组成）。

1 磁屏蔽

电磁屏蔽是抑制以场的形式形成的干扰的有效方法。所谓电磁屏蔽就是用一定形状的材料（导电材料或磁性材料）将被屏蔽的区域密封起来，形成电磁隔离，即内部的电磁场不能走出这个区域，而外部辐射电磁场也不能进入该区域，或者出该区域的电磁能量被大大衰减[4]。电磁屏蔽按屏蔽原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽与电磁场屏蔽。电场屏蔽包括静电场屏蔽与交变电场屏蔽；磁场屏蔽分为恒定磁场屏蔽和交变磁场屏蔽。

恒定磁场屏蔽的原理是利用了高磁导率材料的低磁阻特性，当导磁材料周围有磁场时，磁场优先通过磁电阻较小的路径而不扩散到周围空间，从而对周围起到屏蔽作用。因为磁力线是一条连续的闭合曲线，所以我们可以把磁通量形成的闭合回路称为磁路，由磁路理论可知Um=RmΦm，式中Um是磁路两点之间的磁位差（A），Φm为是通过磁路的磁通量（Wb），Rm是磁路中两点之间的磁阻：

如果磁路的横截面S是均匀的而磁场也是均匀的，则上述公式可简化为：

式中μ为材料磁导率（H/m），S为磁路截面积（m2）,l为磁路长度（m）。从公式中可以看出，当两点间的磁势差Um一定时，磁阻Rm越小磁通量Φm越大；从上面的公式可看出，Rm与μ成反比，磁导率μ越大而磁阻Rm越小，此时磁通量主要通过磁阻小的媒质形成磁路。因为磁性材料的磁导率μ比空气的磁导率大，所以磁性材料的磁阻很小，当磁性材料置于磁场中时，磁通量主要通过磁性材料，而通过空气的磁通量则很少，从而起到磁场屏蔽的作用。磁屏蔽材料的磁阻与材料的磁导率成反比。磁导率越大磁阻则越小。因此，铁、硅钢和坡莫合金等铁磁性材料通常用于磁屏蔽。采用磁屏蔽时，屏蔽越厚、磁导率越高、磁阻则越小，屏蔽效果也就越好；制作屏蔽罩时，开口和缝隙不应该割断磁力线，否则就增加了屏蔽的磁阻，从而降低了磁屏蔽的屏蔽效果[5]。

在交变电磁场中，电场分量与磁场分量是共存的，但在低频电磁场中，一般干扰发生在近场，而在近场中，根据干扰源的特性不同其电场分量和磁场分量也会不同。高电压小电流主要产生电场，其中的磁场分量则可忽略不计。低电压大电流的干扰源则主要产生磁场，其电场分量可以忽略不计，对其屏蔽时可只屏蔽磁场。高频磁场的屏蔽是用铜、铝等低电阻率的良导体材料制成的，屏蔽原理是利用屏蔽体表面磁感应现象产生的涡流的反磁场来屏蔽，即利用涡流反磁场对原磁场的反向作用来抵消原磁场[6]。

根据电磁感应定律，闭合回路中产生的感应电动势等于通过环路的磁通量的时间变化率。根据伦茨定律，感应电动势产生感应电流，感应电流产生的磁通量反过来会阻止原来磁通量的变化，也就是感应电流产生的磁通量方向与原磁通量变化的方向相反。当高频磁场通过金属板时，金属板中便会产生感应电动势，而形成环行电流即涡流。金属板中涡流产生的反向磁场将抵消金属板的原始磁场，这就是感应涡流产生的反磁场对原磁场的排斥作用，但感应涡流产生的反磁场磁力线绕过金属板的侧面，也就增强了金属板侧面的磁场[7]。

2 变压器的电磁场

麦克斯韦方程组概括了宏观电磁现象的其本规律与特性。其微分形式如下：Δ×H=J+(∂D/∂t)，Δ×E=-(∂B/∂t)，Δ×B=0，Δ×D=ρ。媒质特性构成方程组为：D=εE、B=μH、Jc=γE。从公式可看出,时变电磁场的变化率较高时,就必须同时考虑磁场变化（∂B/∂t）产生的感应电场和电场变化（∂D/∂t）产生的感应磁场。此时，时变电场与时变磁场相互制约、相互依赖，这种时变电磁场通常称为动态电磁场。在动态电磁场中，根据激励源的频率可分为高频电磁场和低频电磁场。

对于低频电磁场，由于电磁场随时间t变化缓慢，可忽略方程组中的∂B/∂t和∂D/∂t，简化计算过程而不影响工程计算精度。简化后的电磁场具有恒定电磁场的特性，称为准静态电磁场。根据被忽略的∂B/∂t和∂D/∂t项，对应的准静态电磁场可进一步分为电准静态场和磁准静态场。时变磁场的激发源为传导电流密度Jc(t)和位移电流密度Jd=∂D/∂t。在低频电磁场中，若Jd<

变压器工作在50Hz或60Hz，是典型的低频电器，内部电磁场可看作准静态电磁场，其磁场可看作磁准静态场，对其漏磁场的屏蔽可按恒定磁场去处理，选用低磁阻高磁导率的铁磁材料引导磁场按设计路径环流。又因为磁准静态场同时又具有时变磁场的特性，如上式所对应的时变电场，可选用高电导率材料产生的涡流来屏蔽变压器漏磁场。目前变压器内部使用的磁屏蔽主要由这两种屏蔽组成。

3 相关内容及处理方案

3.1 基本情况

此产品为出口美国的一台变压器，型号为SFP-607MVA/345kV，联结组别为YNd1，低压电压为20.3kV,相电流为9967.16A，低压每相由两只套管引出。内部引线采用双铜排并联水平布置。由于低压电流达到9967.16A，其引线周围存在很大的漏磁场，为防止周边铁件局部过热，在油箱下部装有高导磁硅钢片磁屏蔽，在上部水平方向放置了同样的磁屏蔽，在磁屏蔽上方手孔位置焊装了铜屏蔽，此外低压引线附近的油箱壁、法兰及盖板都采用了无磁钢板。考虑到加工困难，铜屏蔽与水平磁屏蔽之间保留了20mm焊接缝隙。试验结果显示存在局部过热，过热位置在油箱手孔下方箱壁（图1）。

图1 油箱局部过热红外图

3.2 原因分析

油箱采用无磁钢板，内壁焊有磁屏蔽与铜屏蔽，试验结果显示箱壁有局部过热点，由下图可看出过热点刚好位于油箱手孔下部，而非法手孔处无过热现象，手孔的布置影响了磁场的分布。低压引线布置图显示过热点正对低压引线下部铜排附近，此处漏磁场比较大；过热点位于铜屏蔽与磁屏蔽接缝附近，属于屏蔽盲区，磁场更容易从此处穿越；由于磁屏蔽使用高导磁材料，使磁屏蔽内部磁阻远小于周围介质，周围的磁力线会聚拢在磁屏蔽内部，使磁屏蔽周围磁力线集中；由于上部焊有铜屏蔽，由上文可知，铜屏蔽可改变磁力线的分布，减弱铜屏蔽覆盖区的磁场，从而加强了其周边的磁场，故接缝处磁场会加强。

由于手孔的原因，铜屏蔽在手孔位置进行了挖孔处理，特别是在铜屏蔽下部，仅有小部分铜板相连，如果将孔周围看作一个环形导线，无疑下部是导线最细的位置，孔周围铜板中由于电磁感应会出现环形电流，在下部导线最细的位置传导电流密度Jc(t)达到最大，由Δ×H=J可知，下部磁场强度也达到最集中；不导磁钢板相对磁导率大概在1至1.5之间，实际材料可能会高于声称值，如果局部磁通密度过高也会导致局部发热。由于以上几种原因，手孔下部磁场叠加达到最大引起局部过热。

3.3 模拟计算

为验证以上分析，对变压器此处磁场进行了ansoft有限元分析计算。首先按照静磁场计算得出低压大电流引线附近磁场分布，显示在磁屏蔽拐角处磁感强度明显较高。在不考虑箱壁手孔四周铜板环流时，通过涡流分析，箱壁的磁场分布显示铜板对磁场有明显的阻挡作用，磁屏蔽对磁场有吸附作用，磁力线在接缝处的有穿越和汇聚加强现象。

3.4 处理方案

根据以上分析和计算，只要改变屏蔽结构和布置就可消除过热点，但鉴于产品已处于试验阶段，不允许对屏蔽结构作较大更改，因此采用了在低压引线和油箱壁之间增铜板方案。由于引线和油箱壁之间增了铜板，低压引线的漏磁场穿过油箱壁磁通量小了很多，大部分磁力线被磁屏蔽吸附，油箱壁内磁通密度大大降低，从而消除了油箱过热，顺利通过试验。改进后的涡流分析如图2，由分析可知增加铜屏蔽后，油箱壁内的磁场降到了很低的水平，完全消除了局部过热。

图2 改进后涡流分析磁场分布

4 结语

变压器过热问题应给予足够的重视，特别是低压大电流产品更易出现过热问题。变压器内部电磁场是非常复杂的，即使借助分析软件计算也只能做定性参考很准确计算，因此要求产品设计时应将风险降到最低,设计磁屏蔽时应注意：铜屏蔽与磁屏蔽之间做好搭接。理论上磁屏蔽上孔缝越小越好，孔缝的存在会减弱屏蔽效果，如无法避免孔缝应尽量缩至最小，以免磁场局部集中；铜屏蔽不应开过大孔洞。铜屏蔽上开孔不仅会削弱屏蔽效果，且会加大孔周围的感应电流密度，从而使其附近的磁场强度加强，引起过热；铜屏蔽空洞边缘避免过窄。如铜屏蔽无法避免开孔洞应避免将孔洞开在屏蔽边缘，以防止局部传导电流密度过大而感应强磁场引起过热。