变压器磁屏蔽的仿真研究

Electric Power System EquipmentTechnology Frontier技术前沿

2019年第12期

2019 No.12

变压器磁屏蔽的仿真研究

黎文浩

（中山ABB变压器有限公司，广东中山 528449）

［摘 要］本文介绍了磁屏蔽在变压器的作用及常见的布置方式。运用三维电磁场有限元分析软件，分析在不同的磁屏蔽布置下，变压器的杂散损耗变化，并对磁屏蔽布置结构进行优化。［关键词］磁屏蔽；变压器；仿真［中图分类号］TM41　　　　　［文献标志码］A　　　　　［文章编号］1001–523X（2019）12–0223–02

Simulation Study of Transformer Magnetic Shielding

Li Wen-hao

［Abstract］This paper introduces the function of magnetic shield in transformer and its common arrangement. The stray loss of transformer under different magnetic shielding arrangement is analyzed by using 3-D electromagnetic field finite element analysis software, and the structure of magnetic shielding arrangement is optimized. ［Keywords］magnetic shielding; transformer; simulation1 引言

电力变压器是发、输、变和配电系统中的重要设备。其性能和质量直接关系到电力系统运行的可靠性和经济效益。近年来，我国的电力变压器的额定容量不断增加，一些变压器的阻抗要求也很高。因此变压器的负载损耗，特别是线圈漏磁在铁结构件，包括油箱、铁心夹件及铁心拉板中的杂散损耗带来的局部热点。设计过程中，使用电磁屏蔽可以有效地降低漏磁通在铁结构件中引起的涡流损耗。

电磁屏蔽主要有两大类型，一是电屏蔽。电屏蔽是指利用高导电性材料在漏磁场中产生较大的感应电流。根据楞次定律感应电流产生感应电磁场将降低磁力线的透入，从而降低漏磁在铁结构件中的涡流损耗。二是磁屏蔽。磁屏蔽是指利用高导磁性材料，如硅钢片等，引导较多磁力线进入磁屏蔽，而减少被屏蔽区域中的磁力线。两种屏蔽一是用“堵”，一是“疏”，均可降低被屏蔽区域铁结构件的涡流损耗。通常在中大容量的电力变压器中，磁屏蔽的使用面更广，而超大容量电力变压器中常使用电屏蔽。

本文中利用业内先进的3D电磁场有限元分析软件Infolytica Magnet分析变压器杂散损耗。2 磁屏蔽布置

变压器的漏磁通通过磁屏蔽组成闭合回路。常见的磁屏蔽布置有两种。第一种将磁屏蔽单元纵向并联起来，磁屏蔽为漏磁通提供一个高导磁的，低导电的路径。第二种是水平布置磁屏蔽，将磁屏蔽横跨布置在三相漏磁最大的地方，三相漏磁大小相等、相位角相差120°，漏磁在磁屏蔽中最终合成磁通为零。3 建立分析模型

Infolytica MagNet 支持脚本，其脚本技术可以使Magnet与任何支持OLE技术的程序交换数据，比如Microsoft Word，Microsoft Excel，MATLAB和Mathcad 等。Microsoft 公司的ActiveX 脚本规范，可以通过脚本语言，比如VBScript或JScript运行Magnet。利用Magnet的脚本技术，可以用VBScript脚本自动创建模型。本文中利用Microsoft Excel VBA自动创建所需要的模型。

创建模型之前，必须建立Excel与Magnet之间通信。先定义一个Magnet的对象 omnApp，如果omnApp为空值，则创建Magnet对象Set omnApp=CreateObject（“Magnet.Application”）。

例如写一个脚本，利用脚本生成一个矩形，如图1所示。4 边界条件设置

电磁场进入导体材料时，电磁场只能透入到导体表面有

图1 利用脚本创建六面体

限深度，这种现象称为肌肤效应。用肌肤深度来描述电磁场的透入深度。导体材料的肌肤深度是由电磁场的激励频率、导电率及磁导率决定，可以用下面公式来计算导体的肌肤深度：

1

δ= （1）

πfµσ式（1）中，f为激励频率，μ为导体的磁导率，σ为导体的电导率。

变压器常用的材料中，普通碳钢Q345，其磁导率约为500，电导率为6700KS/m。工频50 Hz电磁场中，按式（1）计算其肌肤深度仅为1.2 mm，远远小于其钢板厚度。在保证一定计算精度，可以使用表面阻抗法，降低计算规模，较少计算时间。

对于高导电率、低磁导率的铜材制成的大尺寸构件，其肌肤深度约9.4 mm。计算时可以在肌肤深度的2倍内划分精密网格。内部则可以划一般精度网格。5 材料设置

变压器中主要用到的材料有高导电率的铜材，高磁导率的硅钢片及结构钢。铜主要使用在线圈、引线等，其具有高导电率，磁导率为1。结构钢Q345主要用来制作油箱、夹件等结构支撑件，是一种非线性材料，其磁导率随着磁感应强度变化而变化。但在本文中模拟计算中，使用表面阻抗降低计算规模，其磁导率取业界常用的平均值500。

变压器铁心及磁屏蔽是由薄硅钢片迭积而成，也是一种非线性材料，也是一种各向异性材料。在硅钢片内部其磁导率非常高，但硅钢片表面有绝缘漆，使得硅钢片之间磁导率非常低。

在变压器中，硅钢片铁损主要包括两部分：磁滞损耗和涡流损耗。在正弦交变激励下，可以用Steinmetz公式来近似计算硅钢片铁损：

P=Kh f αBβ+Ke（s f B）2 （2）

式（2）中，f为频率，Kh为磁滞损耗系数，Ke为涡流损耗系数，s为迭片系数，B为磁密峰值。表1为主要材料参数。

2019.12 电力系统装备丨223

2019年第12期

2019 No.12

Technology Frontier技术前沿

Electric Power System Equipment电力系统装备

表1 材料设置

材料Q345BT2纯铜铁心硅钢片

磁导率500120000

电导率（S/m）670000057700000

/

总损耗油箱

表2 杂散损耗表

kW41.465.899

箱底箱盖低压箱壁高压箱壁左箱壁右箱壁

铁芯铁芯夹件

高压上高压下低压上低压下

拉板

高压低压

磁屏蔽

低压磁屏蔽高压磁屏蔽左磁屏蔽右磁屏蔽

漏磁能量J变压器器身阻抗%

8237125.881.3500.4851.4071.4810.3570.81915.9299.9841.7873.5661.5103.1212.2271.1581.0697.4183.6482.2951.476

6 仿真计算结果

激励源：三相正弦电流源；求解器：三维非线性时谐求解器

求解结果见图3，为磁屏蔽及油箱磁密云图。

图3 磁屏蔽及油箱磁密云图

杂散损耗如表2所示。7 结语

本文提出利用业内先进三维有限元分析软件Magnet，模拟计算变压器杂散损耗。并阐述了模拟计算过程中常见的问题，边界条件设置、材料设置及分析其中铁芯迭结构损耗计算的一种等效处理方法。通过有限元计算方法，本文计算一台实际设计的变压器杂散损耗及器身阻抗，在设计过程有很大参考意义。

参考文献

[1] 谢毓敏.变压器设计手册[M].北京：机械工业出版社，2003.[2] 程志光.电气工程电磁热场模拟与应用[M]北京：科学出版社，2009.

（上接第80页）

对被校验的电压以及计量装置中的电能脉冲进行相应的读取；并且还能对校验的电能表与计量装置之间的误差进行计算与矫正。针对不同负荷中的计量误差进行记录；对不同测试方案中的误差曲线进行记录等。在对电能计量装置实施在线校验时，通常需要采用有效的校验方案。通过获取脉冲输出以及各种相关的数据资料进行相关计算，从而对电能表的基本误差进行相关推算[4]。

在进行在线校验的时候，其中最核心的问题在于对电能误差的测算以及采集脉冲数。利用科学技术来达到实现对脉冲数进行有效采集以及累加，以此来实现终端的显示通信功能中的独立性连同脉冲数的精准采集功能中的独立性，并且减少两种功能之间出现相互干扰的状况，确保了这两种功能能够正常的运行[5]。3 高压电能表的特点

相对于传统的电能计量表，目前新型的电能计量表不但消除了传统计量方式所带来的各种隐患，并且在可靠性、准确性等方面都有了巨大的提升[6]。

3.1 计量精度高

相对于传统电能表来说，当前的电能表在能耗上大大低于了传统电能表，从能耗的角度上证明了新型电能表的实用性。4 结语

本文通过对高压电能表的计量装置在线校验技术进行相关分析，并从特点上与传统的电能表进行了一定的对比，可以从侧面看出，当前我国使用的高压电能表及其计量装置在线校验能够符合当前的社会发展需求与人们生活的需要。伴随着我国智能电网的建设，计量表的在线校验系统也会得到更快更好的发展。深入对电能计量装置的研究，才能确保在线校验系统的正常运作以及能够跟上时代的步伐，从而确保人们日常用电的准确性，使电力行业能够积极健康的发展。

参考文献

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随着我国科技的发展，新一代的电能计量表在计量精度

方面有了很大的提高，新一代的电能计量表的综合误差能够控制在1%以上，并且新一代的电能表整体的计量精度达到了有功0.5s级与无功2级的标准。

3.2 安全性好

在新一代的电能计量表与传统的电能计量表相比，新一代的电能计量表成功地避免了传统电磁式电压所产生的铁磁谐振的事故问题，从整体的角度来讲，其结构还具有防偷电行为的发生，并彻底避免了内绝缘故障情况的发生。

3.3 能耗低

224丨电力系统装备 2019.12