油箱混合屏蔽结构对电力变压器损耗的影响分析
(1. 平高集团智能电气有限公司, 平顶山 467041
2. 沈阳工业大学电气工程学院, 沈阳 110870) )
摘要: 变压器损耗过大会引起的局部过热及绝缘老化等问题, 当油箱屏蔽设置不合理时会加剧此类现象, 针对这些问题本文提出了一种油箱混合屏蔽结构。文中对一台220kV变压器进行了三维模型构建, 并通过有限元仿真分别对单一材料及混合材料屏蔽下的变压器损耗分布进行了分析计算。经计算分析, 提出了一种混合屏蔽结构, 此种屏蔽结构在油箱处铺设铜屏蔽, 在此基础上增加了一层厚度为3mm的磁性屏蔽材料, 仿真发现混合屏蔽结构能够有效降低变压器杂散损耗。
DOI: 10.48014/csgr.20250911001
引用格式: 王龙飞, 薛玉栋, 温培科, 等. 油箱混合屏蔽结构对电力变压器损耗的影响分析[J]. 中国智能电网研究, 2025, 2(2): 10-17.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2025-05-11
接收日期: 2025-06-22
出版日期: 2025-06-28
1 引言
变压器不仅仅是电力系统的基础设备之一，保证了电力传输和分配效率，是电力系统中不可或缺的关键环节。随着我国经济快速发展，社会对电力的需求也越来越大[1]。变压器电压等级逐步提高到750kV超高压及1000kV特高压，容量逐步升高至750MVA及1000MVA。在电压等级升高的同时，变压器中的铜损和铁损也急剧增加。在交变磁场作用下变压器铁芯及结构件等会产生磁滞损耗和涡流损耗。涡流损耗会在铁芯等金属部件中形成电流，并以焦耳热的形式散发出来，导致结构件局部温度升高，严重时可能引发局部过热。局部过热不仅影响变压器的性能，还会导致绕组区域绝缘老化，影响变压器的机械强度和工作稳定性[2,3]。各种屏蔽结构如:油箱磁屏蔽、油箱电屏蔽及肺叶磁屏蔽等结构的引入可以减少交变漏磁场引起的杂散损耗从而降低变压器工作温度。所以合理的变压器屏蔽结构设计对延长设备使用寿命，提高变压器工作可靠性尤为重要[4]。
漏磁场的分布直接影响变压器结构件损耗的分布，所以准确计算变压器漏磁场是分析变压器结构件损耗的前提。文献[5]对一台500kV单相变压器进行了三维电磁场仿真，分析了各结构件处的漏磁分布特点。文献[6]采用表面阻抗法对变压器杂散损耗分布进行了计算，发现表面阻抗法计算时间远小于有限元法计算时间，具有耗费资源小，计算时间短的优点。文献[7]利用三维非线性时谐场分析法对变压器漏磁场进行了计算，并考虑了材料各向异性及不同屏蔽结构形式，通过与实验结果进行对比验证了计算方法的正确性。文献[8]分别采用有限元法与经验公式法对变压器涡流损耗进行了对比计算，得出了有限元法计算的优势。文献[9]采用时间积分法并将涡流损耗代入有限元计算方程，计算了变压器损耗分布。
屏蔽结构的引入降低了由变压器漏磁场引起的涡流损耗。磁屏蔽材料通常为具有高磁导率低损耗的电工钢，其优良的导磁性为漏磁场提供了流通路径，减少了其他结构件处的漏磁。电屏蔽材料为具有高电导率的铜板或铝板，漏磁经过时会形成涡流，而涡流具有去磁作用，从而减少了油箱壁处的漏磁场。文献[10]通过二维及三维有限元仿真计算了变压器漏磁场分布及结构件上的损耗，结构件包涵肺叶磁屏蔽、油箱铜屏蔽及夹件等。文献[11]根据肺叶磁屏蔽的尺寸及安装位置不同对变压器漏磁场分别进行了分析，发现其磁屏蔽厚度为45mm时为最佳，且肺叶磁屏蔽越靠近绕组则其他结构件上的损耗越少，但肺叶磁屏蔽距绕组不宜过近以防止其发生局部过热现象。文献[12]分析了变压器油箱平板式磁屏蔽和立式磁屏蔽结构下的漏磁场分布及结构件损耗。文献[13]对一台油浸式变压器采取屏蔽措施前后的损耗分布及漏磁场分布进行了仿真分析，并将磁感应强度计算值与实验值进行了对比，验证了计算方法的准确性。组合屏蔽将磁屏蔽与电屏蔽相结合，综合了两种屏蔽结构的优点。文献[14]将磁屏蔽与铜屏蔽结构相结合对变压器损耗进行了仿真计算，发现在电屏蔽表面铺设一层较薄的磁屏蔽，其屏蔽效果最好。文献[15]对横向屏蔽及纵向屏蔽结构进行了分析，并将铜屏蔽嵌入到磁屏蔽两端，提出了一种新型屏蔽结构。但以上方法只考虑了单一因素对变压器损耗的影响，均未综合考虑屏蔽结构、屏蔽材料及其厚度的不同对变压器损耗造成的影响。
鉴于此，本文提出了一种混合屏蔽结构，此种屏蔽结构在油箱处铺设铜屏蔽，在此基础上增加了一层厚度为3mm的磁性屏蔽材料，仿真发现此种混合屏蔽结构能够有效降低变压器杂散损耗。虽然此种混合屏蔽结构相较于普通屏蔽虽安装过程稍为复杂，耗资稍大，但对于保证大容量电力变压器安全稳定运行具备良好的辅助作用。
2 变压器漏磁场及损耗仿真计算
仿真所用变压器型号为SSZ11-180000/220，为三相三绕组油浸式电力变压器，表1为变压器具体参数。图1为无屏蔽时变压器三维模型构件示意图，绕组自铁心柱由内向外依次为低压、中压、高压、调压绕组。
图1 变压器三维模型构件示意图
Fig.1 Schematic diagram of transformer 3D model components
表1 变压器参数
Table 1 Transformer parameters
|
参数 |
数值 |
|
额定电压比 |
230±8×1.25%/121/10.5kV |
|
容量 |
180000/180000/90000kVA |
|
联结组别 |
YN yn0 d11 |
由于变压器具有对称结构，为简化计算将取整个变压器模型的1/2作为仿真所用模型。仿真中将绕组等效为圆柱筒，并忽略了绕组导线间环流的影响且视电流密度在其中均匀分布。
2.1 变压器漏磁场及损耗计算
准确计算变压器损耗的前提是对漏磁场的准确计算，采用A-V法计算漏磁场的公式如下:
在包含涡流区域:
(1)
式中，A为磁矢量位，V为电标量位，
为磁导率，
为电导率。
在不包含涡流区域:
(2)
式中，Jh为高压绕组处电流密度，J1为低压绕组处电流密度
涡流损耗Pe计算公式如下:
(3)
式中，J为涡流密度，J0为与J相关的向量。
在变压器漏磁计算基础上，可计算磁滞损耗Ph:
(4)
式中，N为划分单元数量，
为单元磁通密度峰值，
为材料密度，V(i)为单元体积。
则总损耗P为:
(5)
2.2 变压器漏磁场及损耗仿真分析
图2为位于变压器B相绕组轴线切面处的漏磁场分布图，图3、图4为变压器油箱、夹件、拉板处磁通密度分布图。由图可知，油箱中部靠近绕组位置磁通密度较大，且关于油箱中轴线呈对称分布;夹件两侧磁通密度最大，拉板贴近夹件处漏磁分布较为集中。表2为无屏蔽情况下变压器各结构件损耗分布表，由表可知变压器总杂散损耗为32133.895kW。
表2 无屏蔽时变压器结构件损耗
Table 2 Loss of transformer structural components without shielding
|
结构件 |
油箱 |
夹件 |
拉板 |
杂散损耗 |
|
损耗(W) |
12265.05 |
12272.14 |
7596.69 |
32133.89 |
3 变压器油箱屏蔽结构分析
3.1 变压器混合屏蔽类型介绍
变压器常用屏蔽类型分为磁屏蔽与电屏蔽，磁屏蔽在变压器中起到“疏磁”作用，对于减少漏磁通斜射方向分量效果较好;电屏蔽中产生涡流，起到“堵磁”作用，对于减少漏磁通垂直方向分量效果较好。屏蔽安装方式分为立式和平板式，现有研究大
图2 无屏蔽时变压器漏磁场分布
Fig.2 Leakage magnetic field distribution of the transformer without shielding
图3 无屏蔽时油箱磁通密度分布
Fig.3 Flux density distribution of the transformer tank without shielding
图4 无屏蔽时夹件及拉板磁通密度分布
Fig.4 Flux density distribution of the clamping structure and tie plate without shielding
多将不同材料、不同安装方式的屏蔽分别进行对比分析，没有考虑含有多种材料类型的混合屏蔽对变压器损耗的影响。因此本文提出了混合屏蔽结构，即在原有屏蔽的基础上铺设其他材料类型。
图5为不包含油箱的变压器俯视结构示意图，四种屏蔽类型布置方式如图5中所示，从左至右依次为磁屏蔽(Magnetic Shielding)、铜屏蔽(Copper Shielding)、磁屏蔽表面铺设铜屏蔽、铜屏蔽表面铺设磁屏蔽，以下分别称为MS、CS、MS/CS、CS/MS。
图5 油箱屏蔽布置类型
Fig.5 Tank shielding arrangement types
3.2 单一屏蔽材料下的变压器损耗分布
表3为不同屏蔽种类下的变压器杂散损耗对比表，图6至图8分别为平板式磁屏蔽、立式磁屏蔽、平板式铜屏蔽结构下的变压器油箱损耗分布图。
表3 不同屏蔽种类下的变压器杂散损耗对比表
Table 3 Comparison table of transformer stray losses with different shielding types
|
屏蔽类型 |
MS(平板) |
MS(立式) |
CS(平板) |
|
杂散损耗(W) |
21340.760 |
20838.100 |
29242.500 |
|
油箱损耗(W) |
3200.213 |
3099.759 |
8427.633 |
|
夹件损耗(W) |
10781.040 |
10582.690 |
12870.590 |
|
拉板损耗(W) |
7264.280 |
7054.927 |
7748.630 |
|
屏蔽损耗(W) |
95.227 |
100.724 |
195.6498 |
图6 带有平板式磁屏蔽的变压器油箱损耗分布
Fig.6 Loss distribution of transformer tank with flat-plate magnetic shielding
图7 带有立式磁屏蔽的变压器油箱损耗分布
Fig.7 Loss distribution of transformer tank with vertical magnetic shielding
可知，三种类型的屏蔽中，立式磁屏蔽效果最好。两种磁屏蔽下的结构件漏磁场及损耗分布趋势相同，由于立式磁屏蔽呈条状分布于油箱表面，与变压器油具有较多接触面积，所以对漏磁场的“吸收”作用更加明显，故表3中立式磁屏蔽下的各结构件损耗小于平板式磁屏蔽结构。
图8 带有平板式铜屏蔽的变压器油箱损耗分布
Fig.8 Loss distribution of transformer tank with flat-plate copper shielding
3.3 混合屏蔽下的变压器损耗分布
图9至图12为混合屏蔽不同安装方式下的变压器油箱损耗分布图。
图9 平板式MS/CS屏蔽下的变压器油箱损耗分布
Fig.9 Loss distribution of transformer tank with flat-plate MS/CS shielding
图10 平板式CS/MS屏蔽下的变压器油箱损耗分布
Fig.10 Loss distribution of transformer tank with flat-plate CS/MS shielding
图11 立式MS/CS屏蔽下的变压器油箱损耗分布
Fig.11 Loss distribution of transformer tank with vertical MS/CS shielding
图12 立式CS/MS屏蔽下的变压器油箱损耗分布
Fig.12 Loss distribution of transformer tank with vertical CS/MS shielding
图13 不同混合屏蔽结构下的变压器损耗对比图
Fig.13 Comparison chart of transformer losses under different hybrid shielding structures
仿真所用混合屏蔽结构只是将原有屏蔽均匀分为两层，屏蔽总厚度并无变化。图13为不同混合屏蔽结构下的变压器结构件损耗对比图。由图可知平板式MS/CS屏蔽对于减小油箱损耗的效果最好。
3.4 变压器损耗分布原因分析
图14为MS/CS结构下的变压器漏磁场分布图，由于铜屏蔽材料防止漏磁通穿过油箱及其后部的磁屏蔽材料，所以部分位于变压器油中的漏磁通穿过油箱，经由空气，又再次被磁屏蔽“吸入”进油箱，此过程使得穿过油箱处磁通增加，因而产生损耗。另一部分漏磁场则于铜屏蔽附近发生弯折，回到了绕组及铁芯中。
图15为CS/MS结构下的漏磁场分布图，由于磁屏蔽材料的“梳磁”作用，漏磁通于混合屏蔽中间及两端进入磁屏蔽材料。相较于图2及图14，其变压器油内漏磁通的辐向分量大幅增加。
图14 MS/CS结构下变压器漏磁场分布
Fig.14 Leakage magnetic field distribution of transformer with MS/CS structure
图15 CS/MS结构下变压器漏磁场分布
Fig.15 Leakage magnetic field distribution of transformer with CS/MS structure
由上可知，在一定电压等级范围的变压器中无论是平板式屏蔽还是立式屏蔽，CS/MS结构下的杂散损耗、夹件、拉板及混合屏蔽处的损耗均小于MS/CS结构，虽然MS/CS结构对于减小油箱损耗效果最佳，但其靠近绕组侧的表面铺设了一层铜材料，由于“堵磁”作用，仅减小了通过油箱的漏磁磁密，位于其他结构件处的漏磁场变化不大。而平板式CS/MS结构具有更低的杂散损耗，且除油箱外，相较于普通屏蔽结构，各结构件处的损耗均小幅降低。故平板式CS/MS结构相较于其他结构具有更好的损耗屏蔽性能。
3.5 混合屏蔽材料厚度对变压器损耗的影响
由于平板式CS/MS结构最佳，现考虑不同磁性屏蔽材料厚度影响下的变压器损耗分布。在变压器原有平板式铜屏蔽的基础上，分别铺设1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等不同厚度的磁屏蔽材料，图16为CS/MS结构不同屏蔽材料厚度影响下的损耗分布图。
图16 CS/MS结构不同屏蔽材料厚度影响下的损耗分布
Fig.16 Loss distribution under different shielding material thicknesses in the CS/MS structure
图中以磁屏蔽材料0mm厚度为基准，计算了其他厚度下各结构件损耗所占百分比。从图中可以看出，当磁性材料厚度为3mm时，各结构件损耗百分比下降趋势明显放缓，此时再增加磁性材料厚度，损耗下降不明显。铜单价约为70000元/吨，而硅钢片单价约为20000元/吨，当工程中对变压器损耗要求不高时，可以采用价格较为便宜的磁屏蔽，而当损耗要求较为严格，需大大延长变压器使用寿命时，应先铺设铜屏蔽，在此基础上铺设一层厚度为3mm的磁性材料为最佳。
4 结论
变压器损耗过大会引起绝缘老化、局部过热等问题，本文提出了一种混合屏蔽结构。该结构在原有油箱铜屏蔽的基础上铺设一层磁屏蔽，有效降低了变压器各结构件上的损耗。文中通过设置不同类型、不同材料的变压器屏蔽结构，对变压器损耗分布进行了仿真及对比分析，可以得出以下结论:
(1)单一材料情况下，立式磁屏蔽对减小变压器杂散损耗效果最佳，平板式磁屏蔽次之。
(2)高电压等级变压器的混合屏蔽结构中，不论是平板式屏蔽还是立式屏蔽，相比于MS/CS屏蔽结构(磁屏蔽表面铺设一层铜屏蔽)，CS/MS屏蔽结构(在铜屏蔽表面铺设一层磁屏蔽)对减小变压器杂散损耗效果更佳，其中平板式CS/MS屏蔽效果最好。
(3)MS/CS屏蔽结构下，由于铜屏蔽具有“堵磁”作用，所以部分位于变压器油中的漏磁通穿过油箱进入空气后，又再次被磁屏蔽“吸入”，使其再次经过油箱，此过程使得穿过油箱处磁通增加，因而产生损耗。
(4)220 kV变压器中，当CS/MS屏蔽结构中磁性材料厚度为3mm时最适宜。
(5)由前文可推知，其他等级变压器中，CS/MS屏蔽结构对减小变压器杂散损耗效果更好，但关于屏蔽采用立式还是平板式及屏蔽厚度应根据变压器具体结构确定。
由此可知，若想减少变压器杂散损耗选用平板式CS/MS混合屏蔽结构效果最好，对于220kV电压等级变压器，虽然此种混合屏蔽结构与普通磁屏蔽相比只能小幅度减小杂散损耗，但当其应用于超高压及特高压等级变压器时，能够减小的杂散损耗则将大大增加。且此种屏蔽结构在减小油箱损耗的同时减小了夹件、拉板处的损耗。
由于变压器工作环境中油箱与外部空气存在大面积热交换，而普通变压器内部则依靠变压器油自然热对流进行散热，长时间工作下拉板及夹件损耗越多，因变压器较高工作温度带来的局部过热及绝缘材料老化问题也越严重。虽然此种混合屏蔽结构相较于普通屏蔽虽安装过程稍为复杂，耗资稍大，但对于保证大容量电力变压器安全稳定运行具备良好的辅助作用。
利益冲突: 作者声明没有利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:王龙飞，wlf0851531@126.com
收稿日期:2025-05-11; 录用日期:2025-06-22; 发表日期:2025-06-28
基金项目:本项研究得到了“基于自动化产线的变压器设计仿真及工艺数字化研究与应用”(项目编号PGKJ2024-223)的资助。
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Analysis of the Impact of Oil Tank Mixed Shielding Structure on Power Transformer Losses
(1. Pinggao Group Intelligent Electric Co. , Ltd. , Pingdingshan 467041, China
2. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)
Abstract: Excessive transformer losses can cause local overheating, insulation degradation, and other issues. These effects are further aggravated when the oil tank shielding design is suboptimal. Regarding these issues, this paper proposes a hybrid shielding structure. A three-dimensional model of a 220kV transformer was constructed in the article, and the loss distribution of the transformer under single material and mixed material shielding was analyzed and calculated through finite element simulation. After calculation and analysis, a hybrid shielding structure was proposed, which involves laying copper shielding at the oil tank and adding a layer of magnetic shielding material with a thickness of 3mm. Simulation results showed that the hybrid shielding structure can effectively reduce transformer stray losses.
Keywords: Transformer, losses, shielding, hybrid shielding
DOI: 10.48014/csgr.20250911001
Citation: WANG Longfei, XUE Yudong, WEN Peike, et al. Analysis of the impact of oil tank mixed shielding structure on power transformer losses[J]. Chinese Smart Grid Research, 2025, 2(2): 10-17.