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該文采用的多物理場(chǎng)雙向耦合分析方法克服了傳統(tǒng)磁路法損耗計(jì)算不準(zhǔn)確的問題，在變壓器產(chǎn)品研發(fā)初期可提供損耗預(yù)測(cè)方法和計(jì)算數(shù)據(jù)，顯著提高相關(guān)電工裝備的運(yùn)行效率。

干式變壓器體積小、質(zhì)量輕，具有抗短路能力和良好的電氣性能，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。干式變壓器繞組一般由環(huán)氧樹脂整體澆注而成，導(dǎo)熱性能比較差，繞組內(nèi)部的產(chǎn)熱和散熱情況不均衡，加之負(fù)載過大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等因素，致使熱點(diǎn)問題突出。變壓器溫升過高不僅會(huì)加速絕緣老化，誘發(fā)繞組匝間短路造成電擊穿等事故，長(zhǎng)期過熱運(yùn)行還會(huì)造成結(jié)構(gòu)件燒損或者機(jī)械變形損傷。

精準(zhǔn)預(yù)估大功率變壓器在漏磁影響下的繞組和結(jié)構(gòu)件損耗，模擬運(yùn)行工況下的變壓器溫升特性，對(duì)于提升變壓器磁熱設(shè)計(jì)并降低局部過熱危害具有重要的意義。由于箔式繞組具有特殊的薄片結(jié)構(gòu)，在漏磁場(chǎng)影響下，繞組表面電流密度分布極不均勻，端部具有明顯的趨膚效應(yīng)，損耗的總量增加和不均勻分布一直是工程難點(diǎn)問題。

隨著三維有限元分析方法（Finite Element Method, FEM）的引入與計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的快速發(fā)展，基于A-V-A和T-ψ等渦流場(chǎng)有限元法逐步在工程上得到采用，以解決導(dǎo)體區(qū)域的非線性和電導(dǎo)率各向異性的渦流損耗計(jì)算問題。

對(duì)于變壓器的溫度場(chǎng)計(jì)算，工程上一般采用GB/T 1094.7—2008和IEEE Standard C57.91—2011標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)變壓器容量和散熱方式給定不同的溫度系數(shù)來計(jì)算變壓器瞬態(tài)熱點(diǎn)溫升，操作快速簡(jiǎn)單但是計(jì)算精度較低，且未考慮變壓器結(jié)構(gòu)對(duì)溫度分布的影響。

基于熱點(diǎn)類比理論的熱路模型更加符合變壓器實(shí)際的傳熱過程，通過計(jì)算熱容、熱阻等參數(shù)，將變壓器結(jié)構(gòu)等效為熱路計(jì)算模型，適用于熱點(diǎn)溫度的精確計(jì)算，但是參數(shù)的選取基于大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建模過程復(fù)雜，工作量大。

針對(duì)變壓器內(nèi)部的熱點(diǎn)分布，國(guó)內(nèi)外學(xué)者系統(tǒng)地研究了數(shù)值模擬算法。為了提高有限元法在求解溫度場(chǎng)流-固耦合問題的效率，在求解流體問題時(shí)多采用有限體積法，該方法也是目前變壓器溫升分布和計(jì)算的研究熱點(diǎn)。

河北工業(yè)大學(xué)等單位的研究人員建立了考慮變壓器繞組層間氣道結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算模型，基于三維瞬態(tài)場(chǎng)有限元仿真得到了漏磁通影響下繞組和結(jié)構(gòu)件上的非均勻損耗分布。建立了磁-熱-流耦合模型，將磁場(chǎng)節(jié)點(diǎn)損耗密度映射至三維流體場(chǎng)中，考慮磁性材料的溫度效應(yīng)，對(duì)變壓器進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，同時(shí)通過熱電偶多路溫度測(cè)試儀對(duì)變壓器進(jìn)行溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證仿真模型的合理性與準(zhǔn)確性。

圖1 變壓器溫升測(cè)試平臺(tái)

研究人員得到以下結(jié)論：

1）考慮大容量干式變壓器漏磁場(chǎng)影響下的繞組和結(jié)構(gòu)件渦流效應(yīng)更加符合變壓器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的損耗計(jì)算和熱源分布。

2）變壓器低壓箔式繞組高溫區(qū)域位于最外層中上端，最高溫度達(dá)121℃，高壓餅式繞組最熱點(diǎn)區(qū)域位于外層第一個(gè)繞包線中間兩列，最熱溫度可高達(dá)150℃，與表面存在5℃左右的溫度差。

3）變壓器上、下結(jié)構(gòu)件和拉板在漏磁場(chǎng)影響下，表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)，同時(shí)在繞組高溫輻射下，產(chǎn)生局部過熱，最高溫升相比于環(huán)境溫度高達(dá)42K。

4）考慮材料溫度效應(yīng)的多物理場(chǎng)耦合方法，克服了傳統(tǒng)磁路法損耗計(jì)算不準(zhǔn)確的問題，能夠更好地研究變壓器內(nèi)部熱點(diǎn)分布。

以上研究成果發(fā)表在2020年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于磁-熱-流耦合模型的變壓器損耗計(jì)算和熱點(diǎn)預(yù)測(cè)”，作者為李永建、閆鑫笑 等。