陳鄧偉 韓金華

（1.河南電力技師學(xué)院，鄭州 450051；2.河南電力試驗(yàn)研究院，鄭州 450052）

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其電氣工作結(jié)構(gòu)主要包括繞組、鐵心和絕緣。變壓器工作時(shí)，變壓器初級繞組通過交流電流產(chǎn)生磁通，磁通依靠導(dǎo)磁性能良好的鐵心材料形成磁場通道，鐵心中交變的磁場因電磁感應(yīng)作用又在變壓器次級繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢形成電場，變壓器因此也就完成電磁和磁電轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)墓ぷ饕蟆．?dāng)然，變壓器能安全工作的前提條件是，變壓器結(jié)構(gòu)中的絕緣材料必須具有良好的絕緣性能，而在實(shí)際生產(chǎn)中，影響變壓器絕緣性能的主要因素之一就是變壓器的發(fā)熱。當(dāng)變壓器發(fā)熱時(shí)，變壓器的絕緣材料因處在較高溫度下，構(gòu)成絕緣的分子或原子更加活躍，產(chǎn)生電荷的可能性增加，導(dǎo)電能力上升；同時(shí)，高溫的環(huán)境條件也會(huì)使絕緣材料發(fā)生化學(xué)變化，產(chǎn)生氣體和其他導(dǎo)電粒子等，從而使變壓器絕緣材料性能大為下降，易造成變壓器放電和擊穿事故等。變壓器因漏磁造成的發(fā)熱屬于變壓器發(fā)熱的一種類型，盡管此類發(fā)熱不是變壓器發(fā)熱中最嚴(yán)重的情況，但是，此類發(fā)熱由于其產(chǎn)生的機(jī)理比較復(fù)雜，變壓器的漏磁發(fā)熱也成為生產(chǎn)中處理最為棘手的難點(diǎn)之一，因此，研究和分析變壓器漏磁現(xiàn)象對于指導(dǎo)電力生產(chǎn)實(shí)踐具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 變壓器漏磁產(chǎn)生機(jī)理

變壓器在工作過程中，繞組線圈中的電流必然在其周圍產(chǎn)生磁通，由于變壓器的鐵心具有較高的磁導(dǎo)率，磁力線大都通過鐵心構(gòu)成封閉磁力回路，沿變壓器鐵心構(gòu)成磁回路的這部分磁通稱為主磁通，主磁通是一二次繞組電磁耦合的媒介，變壓器電能的傳輸就是依靠主磁通的變化而實(shí)現(xiàn)的，主磁通回路如圖1中所示。除此之外，繞組線圈電流產(chǎn)生的磁通還會(huì)通過變壓器油等弱導(dǎo)磁性介質(zhì)進(jìn)入變壓器油箱再次構(gòu)成磁通回路，由于這部分磁通僅與本繞組交鏈，而與其它繞組不發(fā)生耦合，因此對變壓器傳遞電能的工作無任何幫助，故形象地稱為漏磁通。

圖1 變壓器漏磁通產(chǎn)生機(jī)理示意

變壓器在空載運(yùn)行時(shí)，由于負(fù)載側(cè)無電流通過，因此，變壓器漏磁通主要由一次空載電流決定，空載電流一般都較小，所以，變壓器空載時(shí)的漏磁影響可以忽略。變壓器在帶負(fù)載工作，尤其是過負(fù)載工作時(shí)，變壓器的漏磁通包括兩部分：一次電流引起的漏磁通和二次負(fù)載電流引起的漏磁通，一次電流和二次電流在此種情況下的數(shù)值都很大，所以，變壓器的漏磁產(chǎn)生的影響也最為嚴(yán)重。當(dāng)然，當(dāng)變壓器采用三相三心柱結(jié)構(gòu)或當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)有諧波分量或不平衡負(fù)荷較大時(shí)，諧波造成變壓器的漏磁通影響會(huì)進(jìn)一步加大。

2 變壓器漏磁屏蔽原理

屏蔽按機(jī)理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。電場屏蔽，是基于將電場感應(yīng)看成分布電容間的耦合而采取的金屬接地；磁場屏蔽，對于低頻磁場和高頻磁場的屏蔽原理是有區(qū)別的。

對于低頻磁場，磁屏蔽主要是依靠高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻，對磁通起著分路的作用，使磁力線都集中在屏蔽材料內(nèi)部，從而使被屏蔽物體內(nèi)部的磁場大為減弱，因此，低頻磁場的屏蔽材料常選用高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金、硅鋼片等，同時(shí)應(yīng)增加屏蔽體的厚度，以減小屏蔽體的磁阻。為減小通過被屏蔽物體體內(nèi)的磁通，被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上。要注意屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，凡接縫、通風(fēng)空等均可能增加屏蔽體的磁阻，從而降低屏蔽效果。對于強(qiáng)磁場的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)：對要屏蔽外部強(qiáng)磁場的，則屏蔽體的外層選用不易飽和的材料，如硅鋼；而內(nèi)部可選用容易達(dá)到飽和的高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金等； 反之，如果要屏蔽內(nèi)部強(qiáng)磁場時(shí)，則材料的排列次序要到過來。在安裝內(nèi)外兩層屏蔽體時(shí)，要注意彼此間的絕緣。當(dāng)沒有接地要求時(shí)，可用絕緣材料做支撐件。若需接地時(shí)，可選用非鐵磁材料（如銅、鋁）做支撐件。

對于高頻磁場，目前還沒有導(dǎo)磁率很高的材料用于屏蔽。在低頻狀態(tài)下磁導(dǎo)率很高的材料，到了高頻狀態(tài)，磁導(dǎo)率就變得很低了。即使專用的高頻鐵氧體，其磁導(dǎo)率也很難超過100，與低頻下硅鋼片或者純鐵數(shù)千上萬的磁導(dǎo)率相比差的很多，不能有效地聚集磁場。同時(shí)，這些材料都是一次性成型材料，燒制完成以后不能二次加工以適應(yīng)不同的需要。在生產(chǎn)中，高頻磁場的屏蔽，常采用銅鋁等良導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)。銅鋁之所以能夠屏蔽高頻交變磁場，其原因在于高頻交變磁場能在銅鋁上引起很大的渦流，由于渦流的去磁作用，屏蔽罩處的磁場大大減弱，以致罩內(nèi)的高頻交變磁場不能穿出罩外。同樣道理，罩外的高頻交變磁場也不能穿入罩內(nèi)，從而達(dá)到磁屏蔽的目的。通常金屬的電阻率越小，引起的渦流越大，用這種金屬做成的屏蔽罩屏蔽效果越好。鐵等磁性材料的電阻率一般都較大，引起的渦流就小，去磁作用就?。涣硪环矫?，磁性材料的高頻功率損耗大，屏蔽效果差，因此屏蔽高頻交變磁場時(shí)不采用磁性材料。

變壓器的工作電壓頻率為工頻50Hz，其漏磁通的屏蔽屬于低磁屏蔽的范疇。對于110kV以上的變壓器，由于漏磁的影響較大，所以此類變壓器的油箱內(nèi)壁靠近繞組部分都采用了鐵芯屏蔽的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，以處理漏磁對變壓器油箱的影響。變壓器油箱磁屏蔽采用接地的處理，減少了磁屏蔽體上因電磁感應(yīng)而使電位升高的可能性；同時(shí)也因磁屏蔽體強(qiáng)制接地電位為零，對進(jìn)入油箱的電場進(jìn)行了屏蔽。因此，變壓器的油箱磁屏蔽的結(jié)構(gòu)，其主要作用為漏磁屏蔽，但客觀上，還存在電屏蔽的效應(yīng)。

圖2 變壓器油箱的磁屏蔽示意

3 變壓器漏磁發(fā)熱案例分析

2010年9月22日，鄭州某220kV變電站運(yùn)行人員，在巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)1#主變低壓側(cè)套管升高座部分螺栓存在嚴(yán)重過熱現(xiàn)象。用遠(yuǎn)紅外測溫儀測量升高座與油箱結(jié)合面發(fā)現(xiàn)，其中有一個(gè)螺栓溫度高達(dá)310℃，附近另有幾顆螺栓溫度也高達(dá)154℃左右，而其余螺栓的溫度均與低壓側(cè)升高座溫度相同均在在85℃左右。

3.1 變壓器油箱上下螺栓發(fā)熱各種處理效果比較

針對變壓器的螺栓發(fā)熱問題，為判斷發(fā)熱的性質(zhì)和找到解決發(fā)熱的辦法，檢修人員采取了多種措施進(jìn)行處理，其方法和效果如表1所示。

表1 變壓器油箱上下螺栓發(fā)熱各種處理效果比較

3.2 變壓器油箱上下螺栓發(fā)熱各種處理方法分析

變壓器油箱上下螺栓因漏磁發(fā)熱原因有兩大方面：1）螺栓內(nèi)部渦流損耗引起的發(fā)熱；2）螺栓內(nèi)部因磁滯損耗引起的發(fā)熱。不同材料的螺栓因漏磁發(fā)熱的原因是不相同的：在具有導(dǎo)磁能力的螺栓材料中，工頻電壓下的漏磁場引起的損耗既有渦流損耗又有磁滯損耗，而對于弱導(dǎo)磁能力的螺栓材料，其損耗只有渦流損耗而無磁滯損耗。從此角度，可以對表所采取的各種措施分析。

1）緊固螺栓

在導(dǎo)電回路中，因?qū)w因連接松動(dòng)造成接觸電阻增大，從而引起發(fā)熱的案例比比皆是，此類電氣發(fā)熱，采用緊方法減少接觸電阻對減少發(fā)熱具有較好的效果；但是，對于磁回路，螺栓因緊固反而使導(dǎo)磁回路的導(dǎo)磁能力增加，常見變壓器油箱的上下螺栓屬于具有一定導(dǎo)磁作用的鑄鐵材料，因此鑄鐵中渦流和磁滯造成的發(fā)熱反而會(huì)增加，達(dá)不到減小發(fā)熱的效果。

2）松動(dòng)螺栓

在漏磁通回路中，根據(jù)磁阻與磁通的歐姆定律關(guān)系，磁阻越大，磁通越小，由于松動(dòng)螺栓造成磁路中氣隙存在,而氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鑄鐵磁阻，因此螺栓的渦流和磁滯造成的損耗越小，發(fā)熱現(xiàn)象反而減弱。顯然，作為變壓器上下油箱起密封作用的螺栓，是無法讓其在工作中保持松動(dòng)狀態(tài)的，但從此角度來看，采用磁阻較大的材料作為螺栓可以解決漏磁發(fā)熱問題。

3）利用銅絲進(jìn)行螺栓的上下短接

在生產(chǎn)中，常有人采用利用銅絲對螺栓的進(jìn)行上下短接，以為銅絲可以起到低阻分流作用，進(jìn)而減少螺栓發(fā)熱。其實(shí)，這樣的理解是一個(gè)誤區(qū)，客觀上，通過螺栓的電流也存在，這部分電流，主要是由于通過螺栓閉合回路的漏磁感應(yīng)電流，電流很小，最大電流在100ms以下，所以，螺栓的發(fā)熱基本與電路無關(guān)。銅線的短接增加了一個(gè)螺栓的并聯(lián)電路，對閉合回路電流有分流作用，但對于通過螺栓的漏磁而言影響極小，既然螺栓中的漏磁通沒有發(fā)生變化，其內(nèi)部發(fā)熱自然也就不會(huì)變化。

4）更換成不銹鋼或銅材料螺栓

不銹鋼和銅材料，都屬于不導(dǎo)磁材料，因此漏磁通通過此類材料做成的螺栓時(shí)，在螺栓內(nèi)部不存在磁滯損耗，但由于這些材料是良導(dǎo)體，其內(nèi)部因漏磁通的感應(yīng)作用還會(huì)存在渦流損耗仍然造成螺栓發(fā)熱，但較鐵螺栓要小些。在生產(chǎn)中，考慮到不同金屬材料連接時(shí)的熱脹冷縮效應(yīng)，以及此類材料的降溫作用有限等因素，變壓器油箱螺栓漏磁嚴(yán)重發(fā)熱的處理一般不采用此法。

5）利用鐵板進(jìn)行螺栓的上下短接

當(dāng)變壓器油箱內(nèi)部磁屏蔽受到損壞引起內(nèi)部漏磁分布不均勻時(shí)，若大部分漏磁從某一螺栓集中通過時(shí)，由于鑄鐵材料的導(dǎo)磁性不是很好，造成螺栓內(nèi)部磁飽和引起嚴(yán)重發(fā)熱，此類發(fā)熱既有渦流損耗，也有磁阻損耗，其中，磁阻損耗因材料磁飽和而遠(yuǎn)大于渦流損耗。生產(chǎn)中，利用鐵板進(jìn)行螺栓的上下短接，相當(dāng)于增加了漏磁通的導(dǎo)磁截面，降低了磁阻，從而減少了漏磁引起的發(fā)熱問題。鐵板的截面越大，導(dǎo)磁性能就越好，減少發(fā)熱的能力就越強(qiáng)，這一點(diǎn)，相當(dāng)于并聯(lián)電路上的分流作用，再加上鐵材料的普遍性，所以在生產(chǎn)中的使用性較強(qiáng)。

6）利用硅鋼片進(jìn)行螺栓的上下短接

盡管采用鑄鐵短路板有一定的作用，但鑄鐵的導(dǎo)磁性不是很好，其內(nèi)部的磁滯損耗還使螺栓發(fā)熱嚴(yán)重，因此，若采用導(dǎo)磁性能較好的硅鋼片短接螺栓，使磁通大部分通過硅鋼片，進(jìn)而可大大降低螺栓內(nèi)部的磁滯損耗和渦流損，從而使螺栓發(fā)熱的效應(yīng)大為降低。此種方法，在變壓器油箱螺栓因漏磁嚴(yán)重發(fā)熱時(shí)采用，效果尤為明顯。

圖3 變壓器油箱螺栓漏磁處理示意

4 結(jié)論

通過上述研究與分析，對解決生產(chǎn)中設(shè)備漏磁發(fā)熱問題可總結(jié)出以下幾點(diǎn)處理原則：

1）對于設(shè)備的發(fā)熱問題，首先要診斷設(shè)備發(fā)熱的性質(zhì)，電和磁發(fā)熱機(jī)理不同，處理發(fā)熱問題，必須找到設(shè)備電或磁致熱的原因。

2）正確理解渦流損耗發(fā)熱和磁滯損耗發(fā)熱機(jī)理，針對不同的電磁場頻率和不同性質(zhì)的導(dǎo)磁材料，能分清造成設(shè)備發(fā)熱的主要因素。

3）對生產(chǎn)中的屏蔽處理，要搞清屏蔽的性質(zhì)，對于電屏蔽應(yīng)采用零電位或等電位屏蔽；對于漏磁屏蔽，在考慮到磁場頻率對屏蔽材料影響的基礎(chǔ)上，正確選擇低磁阻材料導(dǎo)磁或高磁阻材料隔斷磁路通道的不同屏蔽措施。

4）對于漏磁通不大的變壓器螺栓過熱故障，可以采用不銹鋼螺栓或短路鐵板的處理措施；對于漏磁通較大的變壓器螺栓過熱故障，必須采用硅鋼片進(jìn)行磁通的短路處理措施。

[1] 陳家斌主編.電氣設(shè)備故障檢測診斷方法及實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2003.5.

[2] 四川省電力試驗(yàn)研究院.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M].北京:中國電力出版社,2006.8.

[3] 董振亞,編.電力系統(tǒng)的過電壓保護(hù)[M]. 北京:中國電力出版社.

[4] 陳家斌,編.電氣設(shè)備故障檢測診斷方法及實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社.