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隨著我國(guó)高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，換流變壓器作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵電氣設(shè)備，其損耗分布是設(shè)計(jì)過(guò)程中備受關(guān)注的問(wèn)題之一。而換流變壓器需經(jīng)常工作在交直流混合激勵(lì)下，加劇了漏磁場(chǎng)和雜散損耗分布的不合理性，設(shè)備局部過(guò)熱和運(yùn)行故障的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，因此磁構(gòu)件損耗問(wèn)題的研究面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

研究交直流混合激勵(lì)條件下變壓器磁構(gòu)件中磁場(chǎng)及損耗分布情況，可在變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程中采取有效措施以降低雜散損耗，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的理論價(jià)值。

為研究變壓器結(jié)構(gòu)件損耗模擬及局部過(guò)熱問(wèn)題，程志光博士提出了TEAM Problem 21基準(zhǔn)族模型。基于這些基準(zhǔn)模型，相關(guān)學(xué)者對(duì)三維渦流和雜散場(chǎng)損耗進(jìn)行了大量的研究工作。程志光等學(xué)者研究了磁性能和電源頻率的變化對(duì)硅鋼片內(nèi)部雜散損耗的影響。C. Ragusa等學(xué)者研究了無(wú)取向硅鋼片在偏磁激勵(lì)下的損耗。H. Hauser提出利用磁滯模型的方法計(jì)算雜散損耗。朱占新等學(xué)者提出了用解析解和數(shù)值解相結(jié)合的方法計(jì)算電力變壓器漏磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)損耗，計(jì)算分析了諧波激勵(lì)下結(jié)構(gòu)件的雜散損耗。

鄭偉英等學(xué)者提出了一種子空間校正方法，有效地解決了硅鋼疊片三維非線性渦流問(wèn)題。劉亞青等學(xué)者計(jì)算和分析了諧波磁化作用下繞組中的渦流損耗和結(jié)構(gòu)件中的雜散場(chǎng)損耗。趙志剛等學(xué)者指出交直流混合激勵(lì)下可用直流磁化曲線描述材料的磁性能，提出基于改進(jìn)后的損耗計(jì)算三項(xiàng)式模型，通過(guò)瞬態(tài)場(chǎng)仿真求解激勵(lì)線圈損耗，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的模型總損耗減去相同工況下的線圈損耗仿真計(jì)算值，得到間接確定的電磁裝備結(jié)構(gòu)件中雜散損耗。

上述研究中，仍有一些關(guān)鍵問(wèn)題亟待進(jìn)一步解決：①目前雜散損耗問(wèn)題的研究多數(shù)為正弦激勵(lì)條件，交直流混合激勵(lì)下材料損耗數(shù)據(jù)測(cè)量難度增大而該方面研究卻相對(duì)較少；②以往的研究未考慮空載狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)下線圈損耗的差異，給磁構(gòu)件雜散損耗的確定帶來(lái)一定誤差；③交直流激勵(lì)的改變對(duì)材料磁特性以及對(duì)應(yīng)雜散損耗和附加損耗的影響規(guī)律有待深入研究。

在考慮激勵(lì)線圈在負(fù)載和空載兩種不同條件下?lián)p耗變化的前提下，華北電力大學(xué)的研究人員改進(jìn)了磁構(gòu)件損耗的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，提出了一種有效、實(shí)用的交直流混合激勵(lì)下?lián)p耗計(jì)算模型；基于TEAM-P21c基準(zhǔn)模型，建立了三維交直流混合激勵(lì)條件下硅鋼疊片內(nèi)部雜散損耗的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)分別對(duì)比空間漏磁場(chǎng)與雜散損耗結(jié)果的計(jì)算值與測(cè)量值，驗(yàn)證了該方法的有效性。

圖1 BROCKHAUS磁性能測(cè)量系統(tǒng)

研究人員通過(guò)分別改變交、直流分量研究二者對(duì)疊片式磁構(gòu)件雜散損耗的影響；計(jì)算和分析了硅鋼疊片作為磁構(gòu)件時(shí)，疊片內(nèi)附加損耗的分布及其對(duì)雜散損耗的影響。最后，得出如下結(jié)論：

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1）根據(jù)直流條件下鐵損的特征，提出考慮偏置場(chǎng)影響的鐵損分離模型，并將其應(yīng)用于偏磁下三維雜散損耗的數(shù)值模擬及分析。

2）考慮空、負(fù)載下漏磁場(chǎng)不同對(duì)磁構(gòu)件雜散損耗計(jì)算的影響，提出一種基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定疊片式磁構(gòu)件中的雜散損耗的改進(jìn)方法，并通過(guò)精細(xì)化建模和媒質(zhì)參數(shù)等效處理進(jìn)行數(shù)值仿真，有效地提高了大型電力變壓器的雜散損耗評(píng)估的準(zhǔn)確性。

3）交直流混合激勵(lì)下，隨著交流激勵(lì)增大，磁構(gòu)件的雜散損耗明顯增加；當(dāng)交流激勵(lì)不變時(shí)，增大直流激勵(lì)將引起磁構(gòu)件內(nèi)雜散損耗的增大。

4）垂直進(jìn)入疊片的漏磁通引起的附加損耗占雜散損耗比例較大，且主要分布在靠近激勵(lì)線圈的兩塊硅鋼疊片中，隨著從激勵(lì)線圈到疊片的距離迅速減小；交流激勵(lì)不變時(shí)，直流激勵(lì)的增大將導(dǎo)致附加損耗的增大。

以上研究成果發(fā)表在2021年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“交直流混合激勵(lì)下變壓器用疊片式磁構(gòu)件雜散損耗問(wèn)題的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”，作者為趙小軍、曹越芝、劉蘭榮、王佳雯、程志光。