無取向立式磁屏蔽的性能分析和實(shí)驗(yàn)研究

趙志剛， 魏 鵬， 戎靜怡， 李 興， 劉慧敏

(電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北工業(yè)大學(xué)， 天津 300130)

1 引言

磁屏蔽是變壓器的重要部件，可改善變壓器引線結(jié)構(gòu)，減小變壓器結(jié)構(gòu)件雜散損耗，防止油箱壁過熱。傳統(tǒng)磁屏蔽由取向硅鋼片制成，主要包括平式(MEM-type)和立式(M-type)兩大類。

取向硅鋼片廣泛應(yīng)用于變壓器鐵心的制造，高磁導(dǎo)率的磁屏蔽會使絕大部分漏磁通在其內(nèi)部閉合，從而達(dá)到減小油箱壁內(nèi)漏磁通量和雜散損耗的目的[1-3]。但取向硅鋼片現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和造價(jià)水平限制了取向磁屏蔽在小型變壓器中的使用。而無取向硅鋼片相較取向硅鋼片，具有較高的磁導(dǎo)率、產(chǎn)能更高、更易獲得等優(yōu)勢。以2015年全球軟磁材料市場份額為例：取向硅鋼片占比16%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無取向硅鋼片80%的市場占有率，這使得無取向硅鋼片材料較取向硅鋼片更易獲得，售價(jià)也較低，其價(jià)格僅為取向硅鋼片的50%～60%；同時(shí)，采用無取向硅鋼片制作相同規(guī)格的立式磁屏蔽，相較于取向立式磁屏蔽，可節(jié)約14.3%的裁切成本。因此，無取向硅鋼片作為變壓器磁屏蔽具有較好的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

傳統(tǒng)的磁屏蔽研究主要集中于優(yōu)化磁屏蔽的結(jié)構(gòu)、厚度，或是研究不同激勵方式下磁屏蔽的性能，但很少有從工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的角度對無取向磁屏蔽的研究[4-6]。因此，本實(shí)驗(yàn)基于P21c-M1模型對無取向立式磁屏蔽和取向立式磁屏蔽的屏蔽效果進(jìn)行對比研究。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原理

本研究選用P21c-M1磁屏蔽基準(zhǔn)模型作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。P21c-M1模型的工程背景是研究電力變壓器磁屏蔽對油箱壁的屏蔽效果[7]。研究中分別選用35WW300無取向硅鋼片和B30P105取向硅鋼片制作規(guī)格為458×270×10mm3的立式磁屏蔽，并對兩種不同類型的磁屏蔽構(gòu)件的雜散損耗和磁通分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和仿真計(jì)算。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

P21c-M1模型如圖1(a)所示。具體參數(shù)如下：

(1)激勵線圈：由兩組規(guī)格相同、反向繞制的線圈組成。本研究中，激勵線圈施加反向激勵。

(2)立式磁屏蔽構(gòu)件：包含磁屏蔽和導(dǎo)磁鋼板(導(dǎo)磁鋼板緊貼立式磁屏蔽水平放置)，構(gòu)件模型具體如圖1(b)所示，規(guī)格參數(shù)見表1。

圖1 模型與構(gòu)件Fig.1 P21c-M1 model and structure

為研究兩種立式磁屏蔽和導(dǎo)磁鋼板的內(nèi)部磁通密度分布，現(xiàn)設(shè)置如圖2(a)和圖2(b)所示的測量線圈，線圈具體參數(shù)見表2。

表1 立式磁屏蔽和導(dǎo)磁鋼板參數(shù)Tab.1 Parameters of M-type shield and magnetic plate

圖2 測量線圈位置示意圖Fig.2 Measuring coil position

2.2 材料性能參數(shù)

本文采用25cm標(biāo)準(zhǔn)愛潑斯坦方圈法對35WW300無取向硅鋼片和B30P105取向硅鋼片的磁性能數(shù)據(jù)進(jìn)行測量[8]，結(jié)果如圖3所示。可以看出，35WW300無取向硅鋼片的比總損耗和磁導(dǎo)率都介于B30P105取向硅鋼片軋制方向和垂直軋制方向兩者之間。

表2 測量線圈參數(shù)Tab.2 Measuring coil parameters

注：制造立式磁屏蔽所需的硅鋼片較多，在測量中為了更好地固定磁屏蔽，選用線徑較粗的0.30mm的粗銅線。

圖3 磁化曲線和損耗曲線Fig.3 Magnetization and loss curves

2.3 實(shí)驗(yàn)線路

實(shí)驗(yàn)線路圖如圖4所示。其中，磁屏蔽構(gòu)件的損耗數(shù)據(jù)由精密功率分析儀(LMG500，德國)測量得到，測量線圈內(nèi)感應(yīng)電壓波形則由示波器探頭(DSOX2024A，美國)測量獲得。

圖4 實(shí)驗(yàn)電路Fig.4 Experimental circuit

2.4 實(shí)驗(yàn)原理

傳統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)件雜散損耗的方法多采用負(fù)載激勵測量的總損耗值減去空載激勵測得的損耗值，但這種方法忽略了屏蔽構(gòu)件的存在對激勵線圈渦流損耗的影響[9-11]。文獻(xiàn)[12-15]所提出的鏡像測量法通過鏡像線圈對激勵線圈進(jìn)行漏磁通補(bǔ)償，近似模擬激勵線圈在負(fù)載工況下的磁通分布，從而達(dá)到精確分離激勵線圈損耗的目的。但所需實(shí)驗(yàn)裝置較為復(fù)雜，以本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件難以達(dá)到。因此，本實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的測量方法——測量與仿真相結(jié)合的方法，來確定屏蔽構(gòu)件的損耗。

P21c-M1模型中的總損耗包含屏蔽中損耗(僅含磁滯損耗，忽略渦流損耗)、導(dǎo)磁鋼板中的損耗(渦流損耗和磁滯損耗)和激勵線圈中的損耗(渦流損耗和電阻損耗)。屏蔽構(gòu)件的總損耗包含屏蔽中損耗和導(dǎo)磁鋼板中的損耗。損耗的計(jì)算公式為：

Pload=Pshield+Psteel+Pcoil

(1)

Pplate=Pshield+Psteel

(2)

式中，Pload為負(fù)載總損耗的測量值；Pshield為負(fù)載磁屏蔽中雜散損耗；Psteel為負(fù)載導(dǎo)磁鋼板中雜散損耗；Pcoil為負(fù)載激勵線圈中損耗；Pplate為負(fù)載工況下磁屏蔽和導(dǎo)磁鋼板中的總損耗值。

因此，負(fù)載工況下，模型中屏蔽構(gòu)件的損耗可由式(3)求解：

Pplate=Pload-Pcoil

(3)

式中，Pcoil不再是傳統(tǒng)方法中空載激勵線圈損耗的測量值，而是采用負(fù)載工況下激磁線圈經(jīng)精確建模后線圈損耗的仿真計(jì)算值。因?yàn)闃?gòu)成激勵線圈的主要材料是銅，銅作為非導(dǎo)磁材料，其損耗的計(jì)算結(jié)果(電阻損耗和渦流損耗)依賴于場量的精確計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，保證磁通密度分布結(jié)果的準(zhǔn)確性，就能保證激勵線圈負(fù)載工況下?lián)p耗結(jié)果的正確性，從而得到較為準(zhǔn)確的激勵線圈負(fù)載損耗值。

3 P21c-M1模型仿真

本研究中，采用國際知名廠商Infolytica集團(tuán)的工程電磁場分析軟件——MagNet軟件對工頻下不同電流激勵的P21c-M1模型進(jìn)行三維仿真分析。

3.1 線圈建模

傳統(tǒng)的激勵線圈整體建模默認(rèn)電流在導(dǎo)線內(nèi)部均勻分布，忽略了渦流對線圈損耗的影響。而線圈精確建模，通過對每一根導(dǎo)線精確建模，考慮到集膚深度對線圈渦流損耗的影響，使線圈的損耗計(jì)算更為精確。表3為不同建模方式的描述。本研究采用表3中的精細(xì)建模方式進(jìn)行激勵線圈精確建模，激勵線圈三維仿真模型如圖5所示。

表3 不同建模方式Tab.3 Various modeling methods

圖5 三維仿真模型Fig.5 3D simulation model

3.2 磁屏蔽建模

立式磁屏蔽渦流損耗主要是由垂直于疊片方向的漏磁通引起的渦流損耗，但由于硅鋼片疊片面積較小，渦流損耗在總損耗中占比較小，工程中常忽略不計(jì)，因此仿真時(shí)將電導(dǎo)率ε設(shè)為0，磁導(dǎo)率按式(4)所示各向異性處理：

(4)

式中，μ為磁屏蔽磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；μy為垂直軋制方向磁導(dǎo)率；μz為軋制方向磁導(dǎo)率；Cf為疊片系數(shù)。

工程上已提出了一種實(shí)際可行的求解硅鋼疊片中磁滯損耗的方法，即認(rèn)為磁滯損耗Wh是磁通密度峰值Bm的函數(shù)?；诖磐芏确植冀Y(jié)果，結(jié)合圖3獲得的損耗曲線，求解磁滯損耗Wh：

(5)

4 P21c-M1模型屏蔽效果的研究

4.1 屏蔽效果

P21c-M1模型中導(dǎo)磁鋼板的磁通密度云圖和導(dǎo)磁鋼板單獨(dú)作用時(shí)的磁通密度云圖分別如圖6所示。無取向磁屏蔽和取向磁屏蔽對導(dǎo)磁鋼板的屏蔽作用效果明顯。

圖6 磁通密度云圖Fig.6 Shaded plot

4.2 損耗分析

表4和表5分別為35WW300無取向磁屏蔽、B30P105取向磁屏蔽構(gòu)件的雜散損耗。可知，測量和仿真相結(jié)合測量屏蔽構(gòu)件雜散損耗的方法具有較好的一致性，說明該損耗測量和計(jì)算方法的有效性。

表4 35WW300無取向磁屏蔽構(gòu)件雜散損耗Tab.4 Stray-field loss of non grain-oriented magnetic shielding structure

圖7為不同方法得出的磁屏蔽構(gòu)件雜散損耗?？梢钥闯?，兩種磁屏蔽構(gòu)件中，導(dǎo)磁鋼板內(nèi)的損耗值基本相同，但無取向磁屏蔽構(gòu)件的總損耗值略大于取向磁屏蔽構(gòu)件的損耗值，說明兩種磁屏蔽的屏蔽效果有微小差異，且損耗值的差異主要是兩種磁屏蔽磁滯損耗值的差異，而磁滯損耗主要由材料所處的磁場和磁導(dǎo)率共同決定。因此影響兩種磁屏蔽構(gòu)件損耗的關(guān)鍵因素可能在于磁屏蔽所處的磁場、制造磁屏蔽的硅鋼片材料的磁導(dǎo)率。

表5 B30P105取向磁屏蔽構(gòu)件雜散損耗Tab.5 Stray-field loss of grain-oriented magnetic shielding structure

圖7 磁屏蔽構(gòu)件雜散損耗Fig.7 Stray-field loss in magnetic shields

4.3 磁通分布

圖8為法向磁通和磁通密度云圖。對圖8(a)、圖8(b)中的兩種磁屏蔽和導(dǎo)磁鋼板的內(nèi)部磁通密度分析可知，磁屏蔽和導(dǎo)磁鋼板在z方向上的法向磁通分量均隨著激勵電流的增加而增大，同時(shí)在磁屏蔽構(gòu)件中，絕大部分的磁通都分布在磁屏蔽內(nèi)部，在導(dǎo)磁鋼板中分布的漏磁通較小，這也與圖8(b)顯示的導(dǎo)磁鋼板中磁通量有較為明顯的變化，而表4和表5中的損耗值相差不大相印證。對電流25A(50Hz, rms)下磁屏蔽磁通密度云圖(如圖8(c)和圖8(d)所示)進(jìn)行對比分析可知，無取向磁屏蔽在0～200mm范圍內(nèi)的法向磁通和取向磁屏蔽的法向磁通基本相同，即兩種磁屏蔽所處的磁場基本相同，這從側(cè)面說明導(dǎo)致兩種磁屏蔽構(gòu)件損耗不同的關(guān)鍵因素是磁屏蔽的磁導(dǎo)率。

圖8 法向磁通和磁通密度云圖Fig.8 Bz and shaded plot

5 結(jié)論

本文基于P21c-M1磁屏蔽基準(zhǔn)模型分別對無取向立式磁屏蔽和取向立式磁屏蔽的屏蔽效果進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)無取向磁屏蔽和取向磁屏蔽均具有較好的屏蔽效果，均能有效遏制導(dǎo)磁鋼板中的漏磁通，達(dá)到減小油箱壁損耗的目的。但兩種磁屏蔽磁通密度分布基本相同，損耗數(shù)值卻存在著較大差異，其主要原因在于組成磁屏蔽的無取向硅鋼片和取向硅鋼片磁導(dǎo)率的差異。

(2)由于本實(shí)驗(yàn)只對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的兩種硅鋼片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和對比分析，其研究結(jié)果具有一定的局限性，未來將對更多品牌、不同牌號的硅鋼片進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

(3)取向磁屏蔽目前僅適用于大型變壓器中，未來在考慮生產(chǎn)成本和環(huán)境成本的趨勢下，可以考慮應(yīng)用于小型或中型變壓器中。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 韓曉東，翟亞東(Han Xiaodong, Zhai Yadong.).高壓直流輸電用換流變壓器(Converter transformer used for HVDC transmission)[J].高壓電器(High Voltage Apparatus)，2002，38(3)：5-6.

[2] Cheng Z, Takahashi N, Forghani B, et al. 3-D finite element modeling and validation of power frequency multi-shielding effect[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2012, 48(48):243-246.

[3] 王曉燕，程志光，李琳(Wang Xiaoyan, Cheng Zhiguang, Li Lin).改進(jìn)的基于TEAM 21模型雜散損耗測量和驗(yàn)證方法(Measurement and validation of stray loss base on improved TEAM Problem 21 Model)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society)，2013，28(6)：21-27.

[4] 朱占新，謝德馨，張艷麗(Zhu Zhanxin, Xie Dexin, Zhang Yanli).大型電力變壓器三維漏磁場與結(jié)構(gòu)件損耗的時(shí)域分析(Time domain analysis of 3D leakage magnetic fields and structural part losses of large power transformers)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2012，32(9)：156-160.

[5] 石建，李琳，程志光，等(Shi Jian, Li Lin, Cheng Zhiguang, et al.)．電力變壓器油箱磁屏蔽的優(yōu)化設(shè)計(jì)(Optimization design of magnetic shields onto power transformer tank)[J].電氣技術(shù)(Electrical Engineering)，2013，14(2)：7-11.

[6] 郭晶，李琳，王曉燕，等(Guo Jing, Li Lin, Wang Xiaoyan, et al.).電力變壓器磁屏蔽模型渦流場和損耗的計(jì)算與測量(Calculation and measurement of eddy current and loss in magnetic)[J].電力科學(xué)與工程(Electric Power Science and Engineering)，2012，28(6)：20-25.

[7] 程志光，劉濤，范亞娜，等(Cheng Zhiguang, Liu Tao, Fan Yana, et al.).基于TEAM P21三維雜散場問題建模仿真與驗(yàn)證(TEAM P21 based validation of 3D stray-field modeling and simulation)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society)，2014，29(9)：194-203.

[8] GB/T 3655-2008, 愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法(Methods of measurement of the magnetic properties of electrical steel sheet and strip by means of an Epstein frame)[S].

[9] 趙志剛，趙新麗，程志光，等(Zhao Zhigang, Zhao Xinli, Cheng Zhiguang, et al.).HVDC中電力變壓器直流偏磁屏蔽效應(yīng)研究(Research on the shielding effects of power transformer under DC-biased condition in HVDC)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society)，2014，29(7)：45-52.

[10] 趙志剛，程志光，劉福貴，等(Zhao Zhigang, Cheng Zhiguang, Liu Fugui, et al.).基于漏磁補(bǔ)償?shù)淖儔浩鹘Y(jié)構(gòu)件損耗與磁通分布研究(Research of structure loss and flux distribution of transformer based on leakage flux compensator)[J].高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2014，40(6)：1666-1674.

[11] 范亞娜，劉洋，馬光，等(Fan Yana, Liu Yang, Ma Guang, et al.)．電力變壓器兩種磁屏蔽中磁通及損耗的仿真分析與驗(yàn)證(Analysis and validation of flux and iron loss inside two kinds of magnetic shielding of power transformer)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2015, 34(7)：32-36.

[12] 郭滿生(Guo Mansheng).大容量電力變壓器雜散損耗的數(shù)值分析計(jì)算(Numerical analysis and calculation of stray loss of large power transformer)[J].變壓器(Transformer)，2010，47(11)：1-4.

[13] 李永剛，李悅寧，程志光，等(Li Yonggang, Li Yuening, Cheng Zhiguang, et al.).電力變壓器中不同磁屏蔽的建模、仿真和基準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(Modeling, simulation and benchmarking validation of magnetic shields in large power transformers)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2015，34(2)：61-66.

[14] 趙志剛，史文軍，王振，等(Zhao Zhigang, Shi Wenjun, Wang Zhen, et al.).不同頻率激勵下變壓器銅屏蔽中渦流損耗的研究(Research of eddy-current loss of copper shielding in transformer under different frequencies)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2017，36(3)：58-64.

[15] Cheng Z, Takahashi N, Forghani B, et al. Effect of variation of B-H properties on loss and flux inside silicon steel lamination[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(5): 1346-1349.