變壓器油箱的磁和電磁屏蔽

變壓器運行過程中，通過鐵心的主磁通會產生鐵損，繞組中流過的電流會產生銅損。除了這兩類主要損耗外，繞組電流產生的漏磁通和鐵心過勵磁時從鐵心逸出的漏磁通也會對變壓器的結構件造成額外的損耗。這些結構件包括繞組、鐵芯夾、鐵芯片和油箱。
其中，在大-容量變壓器中，變壓器油箱尺寸起著關鍵作用的-油箱壁由於其面積較大且位置靠近漏磁場區域，成為附加損耗的集中區域之一。這部分損耗不僅增加了能量損耗，還可能導致油箱壁局部過熱，影響變壓器運行的安全可靠性。

	為了有效減少額外損失儲油罐大容量變壓器油箱內部常採用磁屏蔽（由矽鋼片組成）或電磁屏蔽（採用銅板或鋁板）技術，以防止局部溫升。-這些屏蔽材料可以引導或吸收漏磁通，從而減少其對油箱和其他結構件的影響，是提高變壓器運行效率和壽命的重要措施。
圖1：變壓器漏磁場

磁屏蔽結構

圖2：變壓器油箱磁屏蔽

 

 

 

a)條形-形磁屏蔽（磁屏蔽高度H等於矽鋼片的寬度）
b) 片狀-形磁屏蔽（磁屏蔽高度H等於矽鋼片疊片的厚度）

油罐磁屏蔽有兩種結構，如圖2所示。一種是帶狀-形磁屏蔽，它是用寬度為1天的矽鋼片繞成環，如圖2a所示。採用此類磁屏蔽時，漏磁通從矽鋼片厚度方向進入磁屏蔽，磁屏蔽內渦流損耗小；另一種磁屏蔽是片狀-形磁屏蔽，它是將矽鋼片切成B×L片，堆疊成一定厚度H如圖2b所示，然後安裝在油罐壁上。這種類型的磁屏蔽由於漏磁通垂直進入磁屏蔽，因此磁屏蔽內的渦流損耗較大。然而，後一種類型的磁屏蔽比前一種磁屏蔽製造起來更簡單。
工廠通常按照標準化寬度規格使用磁屏蔽，控制磁屏蔽中間的漏磁通在1.7T左右，並確定磁屏蔽的厚度，使磁屏蔽的損耗比較小，溫升保持在允許範圍內。

圖3：進入油箱壁的漏磁通密度和磁通分佈

 

 

a) 變壓器的漏磁場
b) 無磁屏蔽時進入油箱壁的漏磁通密度
c) 磁屏蔽中的漏磁通

磁屏蔽中磁通密度的計算是基於變壓器中漏磁通的分佈。圖1所示為變壓器中的漏磁場，進入油箱壁的漏磁通分佈如圖3所示。
圖3中，Bm為進入油箱和磁屏蔽的漏磁密度幅值，也是油箱和磁屏蔽中間磁通的最大值。磁屏蔽中的磁通量是磁通量密度沿高度的積分，結果如圖3c所示。將磁屏蔽面積除以磁通量即可得出磁屏蔽中的磁通密度。

採用磁屏蔽可能會增加漏磁通的徑向分量，從而增加繞組徑向磁通的渦流損耗和部分線圈的局部溫升。在計算繞組渦流損耗並考慮熱點溫升時，必須考慮磁屏蔽對漏磁場分佈的影響。
採用磁屏蔽可以大大減少油箱的損耗。採用磁屏蔽後，油箱的損耗為油箱壁損耗與磁屏蔽損耗之和。
使用磁屏蔽時，要注意磁屏蔽的固定，保證磁屏蔽良好接地。如果磁屏蔽固定不好，變壓器的噪聲可能會因振動而增大，接地不良可能會因電位懸浮而引起局部放電。

磁屏蔽原理

磁屏蔽通過在油箱內壁鋪設高導磁材料（如矽鋼片），構造出遠低於油箱鋼板的磁阻路徑，迫使漏磁通主動偏離油箱體，通過屏蔽層集中。這個過程本質上是磁通量的自然選擇-遵循“磁阻最小化”定律，漏磁場被矽鋼片高效捕獲，從而大大降低了油箱壁內的渦流損耗，避免了局部過熱的風險。同時，作為強約束磁分流器，磁屏蔽將擴散的漏磁通鎖定在自身內部，形成閉環，顯著削弱油箱外部（特別是開口和焊縫區域）的雜散磁場強度，消除對周圍設備的電磁干擾。代價是屏蔽層因承載磁通而產生磁滯和渦流損耗（可通過低-損耗矽鋼的選擇和散熱設計來優化），但整體損耗實現了從不可控分散（油箱）到可控集中（屏蔽）的戰略遷移，同時兼顧設備安全和電磁兼容。

電磁屏蔽

電磁屏蔽還用於大-容量變壓器的油箱屏蔽，特別是大電流引線附近的油箱屏蔽。
電磁屏蔽利用導電板中的渦流來重新分佈漏磁通。其作用是增加電磁屏蔽部分的磁阻，使電磁屏蔽部分的漏磁通分量減少，從而降低油箱內的渦流和渦流損耗密度，減少油箱內的損耗，消除油箱及結構件的局部過熱。
由於電磁屏蔽中存在渦流，因此電磁屏蔽本身存在損耗，因此油箱損耗是油箱壁中的損耗和電磁屏蔽中的損耗之和。
一般採用鋁板作為電磁屏蔽時，鋁板的厚度為8mm左右；當使用銅板作為電磁屏蔽時，銅板的厚度約為4mm。
由於電磁屏蔽具有渦流反應，電磁屏蔽會減少漏磁通的徑向分量，這樣不僅減少了油箱損耗，而且還減少了繞組徑向漏磁通的渦流損耗。採用磁屏蔽和電磁屏蔽降低附加損耗的效果如表所示，並以採用磁屏蔽時的總附加損耗為100%進行比較。

電磁屏蔽原理

渦流抗-磁：油箱口採用導電性能良好的金屬材料（如銅、鋁等）作為屏蔽。當變壓器運行時，交變磁場會在這些導電材料中產生渦流。根據楞次定律，渦流會產生與原磁場方向相反的磁場。這種反向磁場可以抵消部分原有磁場，從而減弱磁場，減少磁場通過油箱口洩漏。

電場終止和電荷中和：電屏蔽接地後，可以終止導體表面的電場。由於高-電位電路產生的電場會在屏蔽層中感應出電荷，這些感應電荷通過接地點進入大地，從而中和導體表面的電荷，抑制電場的耦合干擾，防止電場通過油箱口影響外界。

磁屏蔽和電磁屏蔽的主要區別可以源自對漏磁場的影響。當採用磁屏蔽時，見圖3，漏磁通的主要路徑是繞組的高度和徑向路徑的氣路長度。鐵磁材料由於其高磁導率，對磁通量分佈影響很小。從磁路和磁場計算的角度來看，可以認為磁通分佈是固定磁通磁路。油箱內部加磁屏蔽基本上不影響磁通分佈。
現實中也是如此。實驗證實，採用磁屏蔽對變壓器的短路阻抗沒有影響，即磁通量沒有變化；但大電流引線附近的電磁屏蔽的漏磁場則不同。油箱壁加電磁屏蔽後，電磁屏蔽的渦流會抵消大電流引線產生的漏磁通，減少引線的漏磁通。這是一個固定的安培-匝磁場，渦流減少了漏磁通。