0 前言

    電力變壓器是電力系統中輸變電能的高壓電氣設備，擔負著電壓、電流的轉換以及功率傳輸的任務，其性能的好壞直接影響著電力系統的安全穩定運行。近年來隨著變壓器公司產量逐年遞增，產品問題也難免隨之出現。主要問題有三個：變壓器損耗超標、局部過熱、雷電沖擊試驗失敗。出現這些問題的根本原因是對變壓器內部磁場和電場沒有把握好。

    通過對變壓器三維電磁場溫度場分布的研究可以精確模擬變壓器正常運行時內部損耗分布和雷電沖擊試驗時的電場分布。用電磁場分析軟件分析變壓器可以在設計階段找到產品內部電場過大或者局部過熱的區域，這對變壓器設計有著重要的指導意義。

    本文的原理是用有限元理論分析變壓器內部電磁場以及溫度場。具體方法是以麥克斯韋方程組為基礎構建數學模型，通過場域中源以及邊界條件計算模型中節點的場量值，再用迭代及插值法算出節點間的物理量值最終得出整個場域內的任意點上電場、磁場值。

1 模型描述

    一臺出口產品，型號為SF-570000/230的變壓器，由于其容量大、低壓電流大很可能導致低壓升高座附近渦流損耗過大，進而導致局部過熱。用磁場仿真軟件MagNet分析低壓升高座以及周圍區域的渦流損耗，找出適合升高座的最優材料以及局部過熱點，從而優化設計改進結構。

    根據變壓器特點，升高座材料一般可用A3鋼、無磁鋼和鋁合金，三個材料各有特點，分別分析三個材料的升高座損耗分布，對比三種情況的不同。圖1-圖3為三種情況的模型圖。第一種是升高座壁用A3鋼，升高座蓋子用無磁鋼；第二種是升高座整體用無磁鋼；第三種是升高座整體用鋁合金。

圖1-圖3 三種情況的實體模型

    由于只模擬升高座的渦流損耗，所以模型的選取如上圖所示，忽略下部引線部分。鋁合金材料型號為6A02。由于A3鋼既導電又導磁且透入深度很淺，為了計算準確單獨設置A3鋼升高座壁用二階計算。

2 結果分析

    計算完成后從電磁原理上深入剖析三種材料損耗差異的原因。

    2.1 三種材料渦流電流及損耗對比分析

    根據計算公式

    列出三種材料的透入深度：A3鋼0.75mm，無磁鋼60mm，鋁合金14mm。為了便于觀察，在模型中做幾個切面：

    對于A3鋼做5個切面分別為圖4中升高座壁內表面、內表面沿厚度方向向外0.5mm處、內表面沿厚度方向向外1mm處、內表面沿厚度方向向外4mm處（中間位置）以及外表面。

    對于無磁鋼和鋁合金做3個切面分別為升高座壁內表面、內表面沿厚度方向向外4mm處（中間位置）以及外表面。

圖4 白色面為升高座壁內表面

    由于渦流電流與透入深度有直接的關系，所以做每個切面的電流密度云圖。

圖5、圖6 A3鋼升高座壁內表面和內表面沿厚度方向向外0.5mm處電流密度分布云圖

圖7、圖8 內表面沿厚度方向向外1mm處和內表面沿厚度方向向外4mm處電密分布云圖

圖9 升高座壁外表面電密分布云圖

    圖5和圖6中的黑色箭頭為電密矢量。從圖5～圖8中可以看出，升高座壁內表面電密最大，向內透入0.5mm處電密稍微減少，透入到1mm處電密衰減得非常快，當在厚度方向的中間位置時電密幾乎沒有，這是因為A3鋼的透入深度為0.75mm。這樣的規律從圖5~圖8中的云圖和矢量圖均可看出來。

    對于圖9中升高座壁外表面的電密反而增大，是因為銅排產生的磁通透過A3鋼在升高座壁外表面引起了渦流電流。下面給出無磁鋼升高座的電密云圖。

圖10、圖11 無磁鋼升高座內表面和內表面沿厚度方向向外4mm（中間位置）電密分布云圖

圖12 無磁鋼升高座壁外表面電密分布云圖

    從以上三個切面可以看出，由于無磁鋼透入深度60mm，所以渦流電流貫通整個壁厚（8mm）。下面給出鋁合金升高座的電密云圖。

圖13、圖14 鋁合金升高座內表面和內表面沿厚度方向向外4mm（中間位置）電密云圖

圖15 鋁合金升高座壁外表面電密分布云圖

    由于鋁合金透入深度14mm，所以在升高座厚度方向充滿渦流電流。

    對比圖10和圖13，發現鋁合金升高座電密大于無磁鋼，且兩者電密都集中在下部法蘭處。這個現象引起注意的是，升高座下部的法蘭可能會局部過熱。取無磁鋼和鋁合金沿厚度方向中間位置的切面做損耗密度云圖，見圖16和圖17。

圖16、圖17 無磁鋼（左）和鋁合金（右）沿厚度方向中間位置切面的損耗密度分布云圖

    雖然鋁合金的渦流電流密度比無磁鋼大，但從圖16和圖17可以看出無磁鋼升高座損耗要大于鋁合金材料。這是由于鋁合金的電導率（26100000S/m）比無磁鋼（1388900S/m）大，這就導致了渦流電流鋁合金材料要大于無磁鋼，而由電流產生的損耗則是無磁鋼更大些。圖18為A3鋼內壁切面損耗密度云圖。從圖中可以看出A3鋼內壁電密比較大，比鋁合金和無磁鋼都要大，但損耗分布均勻，并不會集中在下部法蘭上。

    綜上，如用無磁鋼和鋁合金材料的升高座，應著重考慮下部法蘭發熱的問題，且無磁鋼損耗大于鋁合金；如用A3鋼材料升高座，應考慮升高座內壁損耗過大。

圖18 A3鋼升高座內壁切面損耗分布云圖

    2.2 三種材料屏蔽效果對比分析

    在升高座外做一條直線（圖19），繪出沿此直線的磁通密度曲線。同時在升高座內做也一條直線（圖23），繪出沿此直線的磁通密度曲線。用六組曲線圖對比分析三種材料的升高座內部和外部磁密的大小。

圖19 取圖中藍線生成磁密曲線

圖20 A3鋼升高座沿著藍線生成磁通密度曲線

圖21 無磁鋼沿著藍線生成磁通密度曲線

圖22 鋁合金沿著藍線生成磁通密度曲線

圖23 取圖中藍線生成磁密曲線

圖24 A3鋼升高座沿著藍線生成磁通密度曲線

圖25 無磁鋼沿著藍線生成磁通密度曲線

圖26 鋁合金沿著藍線生成磁通密度曲線

    圖19的藍線起點在升高座外壁上，長度為500mm，方向垂直于升高座壁。圖23的藍線起點在升高座內壁上，長度為210mm，反向垂直于升高座壁。取六幅曲線圖的最大值列于表1中。

表1 三種情況升高座內部、外部最大磁密值（在藍線上）

    分析表1中的數據，A3鋼升高座內外磁密差為0.00316T；無磁鋼內外磁密差為0.00097T；鋁合金內外磁密差為0.00213T。可見，鋼板的屏蔽效果無磁鋼最好，而A3鋼最差。由于A3鋼的透入深度只有0.75mm，這也就不難理解其中的原因了。但是單純看升高座外部漏磁則是無磁鋼材料最大，鋁合金材料最小。

    2.3 升高座周圍損耗分布分析

    升高座外部的漏磁通也是引起升高座損耗的原因之一，下面列出三種情況的損耗值和箱蓋損耗密度云圖再加以分析。

表2 三種情況損耗值

圖27 A3鋼升高座下面的箱蓋損耗密度云圖

圖28 無磁鋼升高座下面的箱蓋損耗密度云圖

圖29 鋁合金升高座下面的箱蓋損耗密度云圖

    從表2中數據可以看出，無磁鋼升高座下面的箱蓋損耗最大，這也和無磁鋼升高座外部漏磁最大相吻合。從圖27～圖29可以看出，箱蓋損耗主要集中在升高座法蘭附近，由于升高座里的銅排是產生損耗的源頭，所以這點也很容易理解。但是三幅云圖中均是法蘭上部的損耗密度大于下部。這是因為這臺變壓器的箱蓋是傾斜的，銅排與箱蓋不垂直，這就造成了“這個斜坡（箱蓋）”上部和下部所處的漏磁通不一樣。由于升高座法蘭上部和下部的漏磁通不同，那么勢必導致箱蓋上部和下部損耗分布不均，如圖27～圖29一樣。以A3鋼升高座為例，取箱蓋下部和上部的兩條直線（圖30和圖32），繪出沿兩條直線的磁通密度分布曲線圖。

圖30 取法蘭下部的藍線生成磁密曲線

圖31 沿著圖24的藍線生成磁密曲線

圖32 取法蘭上部的藍線生成磁密曲線

圖33 沿著圖26的藍線生成磁密曲線

    從圖31和圖33可見，法蘭下部沿著藍線磁密最大值為0.0048T，法蘭上部磁密最大值為0.0056T。由此可見，箱蓋損耗分布不均是由于箱蓋各部分所處的漏磁通不同引起的。由這一現象引起的注意是，對于斜箱蓋，升高座法蘭上部損耗較大，如需要可加屏蔽降低損耗。

3 結論

    經過仿真升高座的磁場分布，以及對比三種鋼材的損耗可以得出，如用無磁鋼和鋁合金材料的升高座，應著重考慮下部法蘭發熱的問題，且無磁鋼損耗大于鋁合金；如用A3鋼材料升高座，應考慮升高座內壁損耗過大。對于大電流的變壓器，低壓升高座用鋁合金能有效降低損耗，但要在法蘭處加屏蔽材料。

    鋼板的屏蔽效果無磁鋼最好，而A3鋼最差。外部漏磁則是無磁鋼材料最大，鋁合金材料最小。

    對于斜箱蓋，靠近升高座法蘭上部的箱蓋附近損耗較大，如需要可加屏蔽降低損耗。

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本文標題：2013PLM征文：不同材料的低壓升高座綜合磁場分析

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