基于磁屏蔽原理的变压器漏磁研究与分析

2012-03-19陈邓伟韩金华

电气技术 2012年6期

陈邓伟韩金华

（1.河南电力技师学院，郑州 450051；2.河南电力试验研究院，郑州 450052）

电力变压器是电力系统中的核心设备，其电气工作结构主要包括绕组、铁心和绝缘。变压器工作时，变压器初级绕组通过交流电流产生磁通，磁通依靠导磁性能良好的铁心材料形成磁场通道，铁心中交变的磁场因电磁感应作用又在变压器次级绕组中感应电动势形成电场，变压器因此也就完成电磁和磁电转换，进而实现电能传输的工作要求。当然，变压器能安全工作的前提条件是，变压器结构中的绝缘材料必须具有良好的绝缘性能，而在实际生产中，影响变压器绝缘性能的主要因素之一就是变压器的发热。当变压器发热时，变压器的绝缘材料因处在较高温度下，构成绝缘的分子或原子更加活跃，产生电荷的可能性增加，导电能力上升；同时，高温的环境条件也会使绝缘材料发生化学变化，产生气体和其他导电粒子等，从而使变压器绝缘材料性能大为下降，易造成变压器放电和击穿事故等。变压器因漏磁造成的发热属于变压器发热的一种类型，尽管此类发热不是变压器发热中最严重的情况，但是，此类发热由于其产生的机理比较复杂，变压器的漏磁发热也成为生产中处理最为棘手的难点之一，因此，研究和分析变压器漏磁现象对于指导电力生产实践具有重要现实意义。

1 变压器漏磁产生机理

变压器在工作过程中，绕组线圈中的电流必然在其周围产生磁通，由于变压器的铁心具有较高的磁导率，磁力线大都通过铁心构成封闭磁力回路，沿变压器铁心构成磁回路的这部分磁通称为主磁通，主磁通是一二次绕组电磁耦合的媒介，变压器电能的传输就是依靠主磁通的变化而实现的，主磁通回路如图1中所示。除此之外，绕组线圈电流产生的磁通还会通过变压器油等弱导磁性介质进入变压器油箱再次构成磁通回路，由于这部分磁通仅与本绕组交链，而与其它绕组不发生耦合，因此对变压器传递电能的工作无任何帮助，故形象地称为漏磁通。

图1 变压器漏磁通产生机理示意

变压器在空载运行时，由于负载侧无电流通过，因此，变压器漏磁通主要由一次空载电流决定，空载电流一般都较小，所以，变压器空载时的漏磁影响可以忽略。变压器在带负载工作，尤其是过负载工作时，变压器的漏磁通包括两部分：一次电流引起的漏磁通和二次负载电流引起的漏磁通，一次电流和二次电流在此种情况下的数值都很大，所以，变压器的漏磁产生的影响也最为严重。当然，当变压器采用三相三心柱结构或当电网内有谐波分量或不平衡负荷较大时，谐波造成变压器的漏磁通影响会进一步加大。

2 变压器漏磁屏蔽原理

屏蔽按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。电场屏蔽，是基于将电场感应看成分布电容间的耦合而采取的金属接地；磁场屏蔽，对于低频磁场和高频磁场的屏蔽原理是有区别的。

对于低频磁场，磁屏蔽主要是依靠高导磁材料所具有的低磁阻，对磁通起着分路的作用，使磁力线都集中在屏蔽材料内部，从而使被屏蔽物体内部的磁场大为减弱，因此，低频磁场的屏蔽材料常选用高导磁材料，如坡莫合金、硅钢片等，同时应增加屏蔽体的厚度，以减小屏蔽体的磁阻。为减小通过被屏蔽物体体内的磁通，被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上。要注意屏蔽体的结构设计，凡接缝、通风空等均可能增加屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果。对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构：对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料，如硅钢；而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等；反之，如果要屏蔽内部强磁场时，则材料的排列次序要到过来。在安装内外两层屏蔽体时，要注意彼此间的绝缘。当没有接地要求时，可用绝缘材料做支撑件。若需接地时，可选用非铁磁材料（如铜、铝）做支撑件。

对于高频磁场，目前还没有导磁率很高的材料用于屏蔽。在低频状态下磁导率很高的材料，到了高频状态，磁导率就变得很低了。即使专用的高频铁氧体，其磁导率也很难超过100，与低频下硅钢片或者纯铁数千上万的磁导率相比差的很多，不能有效地聚集磁场。同时，这些材料都是一次性成型材料，烧制完成以后不能二次加工以适应不同的需要。在生产中，高频磁场的屏蔽，常采用铜铝等良导体来实现。铜铝之所以能够屏蔽高频交变磁场，其原因在于高频交变磁场能在铜铝上引起很大的涡流，由于涡流的去磁作用，屏蔽罩处的磁场大大减弱，以致罩内的高频交变磁场不能穿出罩外。同样道理，罩外的高频交变磁场也不能穿入罩内，从而达到磁屏蔽的目的。通常金属的电阻率越小，引起的涡流越大，用这种金属做成的屏蔽罩屏蔽效果越好。铁等磁性材料的电阻率一般都较大，引起的涡流就小，去磁作用就小；另一方面，磁性材料的高频功率损耗大，屏蔽效果差，因此屏蔽高频交变磁场时不采用磁性材料。

变压器的工作电压频率为工频50Hz，其漏磁通的屏蔽属于低磁屏蔽的范畴。对于110kV以上的变压器，由于漏磁的影响较大，所以此类变压器的油箱内壁靠近绕组部分都采用了铁芯屏蔽的设计结构，如图2所示，以处理漏磁对变压器油箱的影响。变压器油箱磁屏蔽采用接地的处理，减少了磁屏蔽体上因电磁感应而使电位升高的可能性；同时也因磁屏蔽体强制接地电位为零，对进入油箱的电场进行了屏蔽。因此，变压器的油箱磁屏蔽的结构，其主要作用为漏磁屏蔽，但客观上，还存在电屏蔽的效应。

图2 变压器油箱的磁屏蔽示意

3 变压器漏磁发热案例分析

2010年9月22日，郑州某220kV变电站运行人员，在巡视时发现1#主变低压侧套管升高座部分螺栓存在严重过热现象。用远红外测温仪测量升高座与油箱结合面发现，其中有一个螺栓温度高达310℃，附近另有几颗螺栓温度也高达154℃左右，而其余螺栓的温度均与低压侧升高座温度相同均在在85℃左右。

3.1 变压器油箱上下螺栓发热各种处理效果比较

针对变压器的螺栓发热问题，为判断发热的性质和找到解决发热的办法，检修人员采取了多种措施进行处理，其方法和效果如表1所示。

表1 变压器油箱上下螺栓发热各种处理效果比较

3.2 变压器油箱上下螺栓发热各种处理方法分析

变压器油箱上下螺栓因漏磁发热原因有两大方面：1）螺栓内部涡流损耗引起的发热；2）螺栓内部因磁滞损耗引起的发热。不同材料的螺栓因漏磁发热的原因是不相同的：在具有导磁能力的螺栓材料中，工频电压下的漏磁场引起的损耗既有涡流损耗又有磁滞损耗，而对于弱导磁能力的螺栓材料，其损耗只有涡流损耗而无磁滞损耗。从此角度，可以对表所采取的各种措施分析。

1）紧固螺栓

在导电回路中，因导体因连接松动造成接触电阻增大，从而引起发热的案例比比皆是，此类电气发热，采用紧方法减少接触电阻对减少发热具有较好的效果；但是，对于磁回路，螺栓因紧固反而使导磁回路的导磁能力增加，常见变压器油箱的上下螺栓属于具有一定导磁作用的铸铁材料，因此铸铁中涡流和磁滞造成的发热反而会增加，达不到减小发热的效果。

2）松动螺栓

在漏磁通回路中，根据磁阻与磁通的欧姆定律关系，磁阻越大，磁通越小，由于松动螺栓造成磁路中气隙存在,而气隙磁阻远大于铸铁磁阻，因此螺栓的涡流和磁滞造成的损耗越小，发热现象反而减弱。显然，作为变压器上下油箱起密封作用的螺栓，是无法让其在工作中保持松动状态的，但从此角度来看，采用磁阻较大的材料作为螺栓可以解决漏磁发热问题。

3）利用铜丝进行螺栓的上下短接

在生产中，常有人采用利用铜丝对螺栓的进行上下短接，以为铜丝可以起到低阻分流作用，进而减少螺栓发热。其实，这样的理解是一个误区，客观上，通过螺栓的电流也存在，这部分电流，主要是由于通过螺栓闭合回路的漏磁感应电流，电流很小，最大电流在100ms以下，所以，螺栓的发热基本与电路无关。铜线的短接增加了一个螺栓的并联电路，对闭合回路电流有分流作用，但对于通过螺栓的漏磁而言影响极小，既然螺栓中的漏磁通没有发生变化，其内部发热自然也就不会变化。

4）更换成不锈钢或铜材料螺栓

不锈钢和铜材料，都属于不导磁材料，因此漏磁通通过此类材料做成的螺栓时，在螺栓内部不存在磁滞损耗，但由于这些材料是良导体，其内部因漏磁通的感应作用还会存在涡流损耗仍然造成螺栓发热，但较铁螺栓要小些。在生产中，考虑到不同金属材料连接时的热胀冷缩效应，以及此类材料的降温作用有限等因素，变压器油箱螺栓漏磁严重发热的处理一般不采用此法。

5）利用铁板进行螺栓的上下短接

当变压器油箱内部磁屏蔽受到损坏引起内部漏磁分布不均匀时，若大部分漏磁从某一螺栓集中通过时，由于铸铁材料的导磁性不是很好，造成螺栓内部磁饱和引起严重发热，此类发热既有涡流损耗，也有磁阻损耗，其中，磁阻损耗因材料磁饱和而远大于涡流损耗。生产中，利用铁板进行螺栓的上下短接，相当于增加了漏磁通的导磁截面，降低了磁阻，从而减少了漏磁引起的发热问题。铁板的截面越大，导磁性能就越好，减少发热的能力就越强，这一点，相当于并联电路上的分流作用，再加上铁材料的普遍性，所以在生产中的使用性较强。

6）利用硅钢片进行螺栓的上下短接

尽管采用铸铁短路板有一定的作用，但铸铁的导磁性不是很好，其内部的磁滞损耗还使螺栓发热严重，因此，若采用导磁性能较好的硅钢片短接螺栓，使磁通大部分通过硅钢片，进而可大大降低螺栓内部的磁滞损耗和涡流损，从而使螺栓发热的效应大为降低。此种方法，在变压器油箱螺栓因漏磁严重发热时采用，效果尤为明显。