变压器油箱的磁和电磁屏蔽

变压器运行过程中，通过铁心的主磁通会产生铁损，绕组中流过的电流会产生铜损。除了这两类主要损耗外，绕组电流产生的漏磁通和铁心过励磁时从铁心逸出的漏磁通也会对变压器的结构件造成额外的损耗。这些结构件包括绕组、铁芯夹、铁芯片和油箱。
其中，在大-容量变压器中，变压器油箱尺寸起着关键作用的-油箱壁由于其面积较大且位置靠近漏磁场区域，成为附加损耗的集中区域之一。这部分损耗不仅增加了能量损耗，还可能导致油箱壁局部过热，影响变压器运行的安全可靠性。

	为了有效减少额外损失储油罐大容量变压器油箱内部常采用磁屏蔽（由硅钢片组成）或电磁屏蔽（采用铜板或铝板）技术，以防止局部温升。{0}}这些屏蔽材料可以引导或吸收漏磁通，从而减少其对油箱和其他结构件的影响，是提高变压器运行效率和寿命的重要措施。
图1：变压器漏磁场

磁屏蔽结构

图2：变压器油箱磁屏蔽

 

 

 

a)条形-形磁屏蔽（磁屏蔽高度H等于硅钢片的宽度）
b) 片状-形磁屏蔽（磁屏蔽高度H等于硅钢片叠片的厚度）

油罐磁屏蔽有两种结构，如图2所示。一种是带状-形磁屏蔽，它是用宽度为1天的硅钢片绕成环，如图2a所示。采用此类磁屏蔽时，漏磁通从硅钢片厚度方向进入磁屏蔽，磁屏蔽内涡流损耗小；另一种磁屏蔽是片状-形磁屏蔽，它是将硅钢片切成B×L片，堆叠成一定厚度H如图2b所示，然后安装在油罐壁上。这种类型的磁屏蔽由于漏磁通垂直进入磁屏蔽，因此磁屏蔽内的涡流损耗较大。然而，后一种类型的磁屏蔽比前一种磁屏蔽制造起来更简单。
工厂通常按照标准化宽度规格使用磁屏蔽，控制磁屏蔽中间的漏磁通在1.7T左右，并确定磁屏蔽的厚度，使磁屏蔽的损耗比较小，温升保持在允许范围内。

图3：进入油箱壁的漏磁通密度和磁通分布

 

 

a) 变压器的漏磁场
b) 无磁屏蔽时进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计算是基于变压器中漏磁通的分布。图1所示为变压器中的漏磁场，进入油箱壁的漏磁通分布如图3所示。
图3中，Bm为进入油箱和磁屏蔽的漏磁密度幅值，也是油箱和磁屏蔽中间磁通的最大值。磁屏蔽中的磁通量是磁通量密度沿高度的积分，结果如图3c所示。将磁屏蔽面积除以磁通量即可得出磁屏蔽中的磁通密度。

采用磁屏蔽可能会增加漏磁通的径向分量，从而增加绕组径向磁通的涡流损耗和部分线圈的局部温升。在计算绕组涡流损耗并考虑热点温升时，必须考虑磁屏蔽对漏磁场分布的影响。
采用磁屏蔽可以大大减少油箱的损耗。采用磁屏蔽后，油箱的损耗为油箱壁损耗与磁屏蔽损耗之和。
使用磁屏蔽时，要注意磁屏蔽的固定，保证磁屏蔽良好接地。如果磁屏蔽固定不好，变压器的噪声可能会因振动而增大，接地不良可能会因电位悬浮而引起局部放电。

磁屏蔽原理

磁屏蔽通过在油箱内壁铺设高导磁材料（如硅钢片），构造出远低于油箱钢板的磁阻路径，迫使漏磁通主动偏离油箱体，通过屏蔽层集中。这个过程本质上是磁通量的自然选择-遵循“磁阻最小化”定律，漏磁场被硅钢片高效捕获，从而大大降低了油箱壁内的涡流损耗，避免了局部过热的风险。同时，作为强约束磁分流器，磁屏蔽将扩散的漏磁通锁定在自身内部，形成闭环，显着削弱油箱外部（特别是开口和焊缝区域）的杂散磁场强度，消除对周围设备的电磁干扰。代价是屏蔽层因承载磁通而产生磁滞和涡流损耗（可通过低-损耗硅钢的选择和散热设计来优化），但整体损耗实现了从不可控分散（油箱）到可控集中（屏蔽）的战略迁移，同时兼顾设备安全和电磁兼容。

电磁屏蔽

电磁屏蔽还用于大-容量变压器的油箱屏蔽，特别是大电流引线附近的油箱屏蔽。
电磁屏蔽利用导电板中的涡流来重新分布漏磁通。其作用是增加电磁屏蔽部分的磁阻，使电磁屏蔽部分的漏磁通分量减少，从而降低油箱内的涡流和涡流损耗密度，减少油箱内的损耗，消除油箱及结构件的局部过热。
由于电磁屏蔽中存在涡流，因此电磁屏蔽本身存在损耗，因此油箱损耗是油箱壁中的损耗和电磁屏蔽中的损耗之和。
一般采用铝板作为电磁屏蔽时，铝板的厚度为8mm左右；当使用铜板作为电磁屏蔽时，铜板的厚度约为4mm。
由于电磁屏蔽具有涡流反应，电磁屏蔽会减少漏磁通的径向分量，这样不仅减少了油箱损耗，而且还减少了绕组径向漏磁通的涡流损耗。采用磁屏蔽和电磁屏蔽降低附加损耗的效果如表所示，并以采用磁屏蔽时的总附加损耗为100%进行比较。

电磁屏蔽原理

涡流抗-磁：油箱口处采用导电性好的金属材料（如铜、铝等）作为屏蔽。当变压器运行时，交变磁场会在这些导电材料中产生涡流。根据楞次定律，涡流会产生与原磁场方向相反的磁场。这种反向磁场可以抵消部分原有磁场，从而减弱磁场，减少磁场通过油箱口泄漏。

电场终止和电荷中和：电屏蔽接地后，可以终止导体表面的电场。由于高-电位电路产生的电场会在屏蔽层中感应出电荷，这些感应电荷通过接地点进入大地，从而中和导体表面的电荷，抑制电场的耦合干扰，防止电场通过油箱口影响外界。

磁屏蔽和电磁屏蔽的主要区别可以源自对漏磁场的影响。当采用磁屏蔽时，见图3，漏磁通的主要路径是绕组的高度和径向路径的气路长度。铁磁材料由于其高磁导率，对磁通量分布影响很小。从磁路和磁场计算的角度来看，可以认为磁通分布是固定磁通磁路。油箱内部加磁屏蔽基本上不影响磁通分布。
现实中也是如此。实验证实，采用磁屏蔽对变压器的短路阻抗没有影响，即磁通量没有变化；但大电流引线附近的电磁屏蔽的漏磁场则不同。油箱壁加电磁屏蔽后，电磁屏蔽的涡流会抵消大电流引线产生的漏磁通，减少引线的漏磁通。这是一个固定的安培-匝磁场，涡流减少了漏磁通。