電力推進變壓器對高頻電磁噪聲抑制方法研究

黃劉瑋，于飛，李耕，夏益輝

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，船舶電力推進系統(tǒng)中大量使用高頻功率開關(guān)設(shè)備。然而隨著開關(guān)頻率的提高，使得諧波含量豐富，從而產(chǎn)生了大量的高頻電磁噪聲，并通過推進變壓器傳遞到電網(wǎng)中，對電網(wǎng)中其他用電設(shè)備造成了嚴重的影響。所以在船舶特殊的工作環(huán)境和有限的艙室空間內(nèi)，需要電力推進變壓器對來自推進變頻器的高頻電磁噪聲進行抑制，防止其污染船舶電網(wǎng)，提高電能品質(zhì)，保證其他用電設(shè)備的正常運行。

在高頻電磁噪聲通過推進變壓器傳遞的過程中，變壓器的寄生分布電容起到了重要的作用。本文通過對推進變壓器分布電容的研究，提出了抑制高頻電磁噪聲的方法，并通過有限元仿真和實驗，對該方法的抑制效果進行了分析。

1 高頻電磁噪聲傳遞路徑分析

由于推進變壓器的繞組與大地之間、初級與次級之間都存在著分布電容，次級的高頻電磁噪聲通過這些分布電容耦合到初級的電網(wǎng)中，從而影響其他的用電設(shè)備，如圖1所示。

圖1 高頻電磁噪聲傳遞路徑

初級的電磁干擾電壓的計算公式為：

分析傳遞路徑可知推進變壓器的分布電容在高頻電磁噪聲的傳遞中起著關(guān)鍵性的作用。要抑制高頻電磁噪聲，首先要分析推進變壓器的分布電容，降低其在傳遞過程中的作用，從而達到抑制高頻電磁噪聲的目的。

2 變壓器分布電容分析

2.1 繞組分布電容

變壓器的繞組一般是分層繞制的，層與層之間存在著分布電容。繞組的分布電容可以通過變壓器繞組中存儲的電場能量來進行確定。為了計算電場能量，需要知道變壓器繞組中的電壓分布?，F(xiàn)以一個兩層繞組為例，如圖2所示。在所測繞組上施加一個電壓U，其余繞組開路，假設(shè)這個電壓沿著繞組方向均勻分布，以繞組的一端電位為零開始，增長到另一端為U，這樣就能獲得繞組的電壓分布。得到分布電壓后，可根據(jù)下式計算繞組的分布電容[4]：

式中：r為繞組導(dǎo)線的半徑，d為繞組上下層間距，l為繞組的長度，E為繞組間的電場強度，u為上下兩層的電壓差分布，Uin為輸入電壓，ε為層間絕緣材料介電常數(shù)。

圖2 兩層繞組不同繞法的電壓分布

圖2給出了四種繞組繞制方法的繞組的電壓分布，繞組的不同繞法所形成的分布電壓截然不同。U型繞法，繞制方法雖然簡單，但是上下兩層相鄰匝間的電壓差變化的很大，所產(chǎn)生的分布電容也會非常大，由圖中可知繞組的端口部分的分布電容將最大。S型繞法，繞線稍復(fù)雜些，繞組上下兩成相鄰匝間壓差幾乎沒有變化，繞組各部分的分布電容值也幾乎相同。分段式繞法，是將繞組的繞圈匝數(shù)分成相等的若干份，每一段用絕緣層隔開，這樣上下兩層的電壓差就只是輸入電壓的若干份之一，分段越多，線圈間的最大電壓差越小，繞組等效分布電容就越小。交錯式繞法，就是將n份繞組繞圈按照奇偶數(shù)上下兩層交錯的繞制，這樣線圈間的最大電壓就是1/n，相應(yīng)的分布電容也非常小[1-3]。

2.2 繞組間分布電容

變壓器初級繞組和次級繞組之間的分布電容可從電容的基本定義推導(dǎo)而得。

圖3 繞組間分布電容

如圖3所示，原次級繞組存在一定的間距d，假設(shè)初級繞組、次級繞組分別攜帶電荷q、-q，則距離初級的中心x處的A點的電場強度為初級、次級的電荷分別在A點產(chǎn)生的電場強度E1和E2的疊加。根據(jù)高斯定理：

初級繞組與次級繞組之間的電位差為U可以表示為：

由此可得長度為l的繞組間分布電容為：

式中：ε為繞組導(dǎo)體間絕緣材料的介電常數(shù)；l為初級繞組與次級繞組正對的平均長度。

推進變壓器的分布電容的實際測量是非常困難的，所以借助于ansoft有限元仿真軟件，通過建立模型，能比較準確的計算變壓器的分布電容數(shù)值[3]。

2.3 繞組不同布置對分布電容的影響

變壓器繞組的不同布置也會影響繞組間分布電容的大小。為此，對圖4中三種繞組布置不同的變壓器進行分布電容的仿真計算。

圖4 繞組的不同布置

表1列出了變壓器采用圖4所示的三種繞組布置時所得的變壓器繞組間分布電容仿真計算結(jié)果。

表1 繞組不同分布時的分布電容值

由圖4中所示，a型變壓器和b型變壓器的初級繞組的兩層都在次級繞組的同一側(cè)，則初級繞組和次級繞組之間只有一個接觸面，兩個繞組之間的分布電容相對較小，但初級繞組兩層間的分布電容依然很大。c型變壓器的初級繞組與次級繞組由兩個正對的接觸面，所以從表1中也能看到，繞組間的分布電容相對較大，且因為對稱分布所以C13= C23，但是因為初級繞組被次級繞組隔開分成了兩段，間距增大，也使得初級繞組的分布電容變小。

3 高頻電磁噪聲的抑制方法

通過對高頻電磁噪聲傳遞路徑和推進變壓器寄生分布電容的分析，提出對高頻電磁噪聲的抑制方法。采用在推進變壓器中的初、次級之間加一個低電阻金屬材料的靜電屏蔽層，使繞組間的分布電容降到最小，切斷噪聲的耦合通道，其原理如圖5所示。

圖5 靜電屏蔽層原理

當靜電屏蔽層足夠大時，初、次級之間剩余分布電容C12一般很小可以忽略不計，其等效電路見圖6。

圖6 電屏蔽等效電路圖

此時，初級干擾電壓的計算公式為：

根據(jù)公式可以得到，在理想情況下，靜電屏蔽層接地良好，則C4趨向于無窮，VA=0。而當靜電屏蔽層接地很差時，C4遠小于C2。由于靜電屏蔽層距離初級繞組比次級繞組要近，而且面積比次級繞組大，所以C1遠大于C12，此時，公式可改寫為：

與無靜電屏蔽層時對比

即VA（靜電屏蔽層不接地）>VA（無靜電屏蔽層）由此得出：

1）靜電屏蔽層應(yīng)有良好的接地，才能起到隔離屏蔽作用，消除干擾；

2）靜電屏蔽層應(yīng)有足夠大的面積，既靜電屏蔽層銅箔應(yīng)盡可能寬；

3）靜電屏蔽層應(yīng)遠離干擾源，靠近受干擾一側(cè)，既遠離變壓器次級繞組，靠近初級繞組，使C1、C2達到一個適中值；

4）加了靜電屏蔽層而不接地，其干擾將比不加靜電屏蔽層時更為嚴重。

靜電屏蔽層的作用就是用金屬靜電屏蔽層將電路隔離起來，把電路之間的干擾源降低到最小程度，使電路通過分布電容泄露出的能量經(jīng)靜電屏蔽層短路接地而不傳入電網(wǎng)中去。

4 仿真及實驗

4.1 有限元仿真計算

為了進一步研究靜電屏蔽層降低繞組間分布電容的程度，下面將建立一個加有靜電屏蔽層的繞組模型，如圖7所示。然后利用有限仿真軟件，對普通繞組和增加有靜電屏蔽層的繞組分別進行分布電容計算[2]，計算結(jié)果如表2所示。由表2可以很清晰地看出，在增加靜電屏蔽層后，繞組間的分布電容值只有普通繞組間分布電容值的2%，減小明顯，這說明高頻電磁噪聲將無法有效地通過分布電容從次級傳遞到初級。

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圖7 有靜電屏蔽層的繞組模型

4.2 實驗分析

根據(jù)所提出的抑制高頻電磁噪聲的方法，設(shè)計制造了一臺樣機。為了降低繞組自身的和繞組間的分布電容，樣機的初級繞組分成兩部分繞制，把次級繞組夾在中間，如圖4中c型繞組布置，并在靠近初級繞組的一邊各增加一層靜電屏蔽層，如圖8所示。

圖8 繞組結(jié)構(gòu)

變壓器的噪聲抑制試驗是利用高頻電磁干擾測試儀器在變壓器的次級輸入幅值為10 V的干擾電壓，測量初級的感應(yīng)電壓，在0.1～30 MHz頻率段對具有噪聲抑制功能的推進變壓器進行測試，同時對一臺同額定容量的普通推進變壓器也進行測試，將兩臺變壓器的測量數(shù)據(jù)進行比較，以A相為例，如圖9所示。

通過比較可以很明顯的看出，普通推進變壓器將初級10 V的干擾電壓升高到了110～120 V左右，這將對電網(wǎng)造成一定程度的沖擊。而具有噪聲抑制功能的推進變壓器的感應(yīng)電壓只有20～30 V，對高頻電磁噪聲的抑制效果還是非常明顯。

5 結(jié)語

船舶電力推進設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁噪聲通過推進變壓器傳遞到電網(wǎng)中。本文針對這一現(xiàn)象，對電力推進變壓器的分布電容進行分析，提出了一種抑制方法，通過增加靜電屏蔽層減小分布電容，切斷噪聲的傳遞通道。利用有限元仿真對該方法進行仿真分析，并設(shè)計制作了樣機。通過對樣機的電磁干擾試驗，驗證了該抑制方法的可行性和實效性，滿足了電力推進變壓器對高頻電磁噪聲的抑制要求。

[1] 尹克寧. 變壓器設(shè)計原理[M]. 北京：中國電力出版社，2003.

[2] 劉國強. Ansoft工程電磁場有限元分析[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3] 杜建平，李巖，徐希強，李冬雪等．基于有限元法德變壓器分布電容參數(shù)計算的研究[J]．變壓器，2012.