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

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，加之負載過大、運行時間長等因素，致使熱點問題突出。變壓器溫升過高不僅會加速絕緣老化，誘發(fā)繞組匝間短路造成電擊穿等事故，長期過熱運行還會造成結(jié)構(gòu)件燒損或者機械變形損傷。

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，模擬運行工況下的變壓器溫升特性，對于提升變壓器磁熱設(shè)計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問題。

隨著三維有限元分析方法（Finite Element Method, FEM）的引入與計算機數(shù)值計算的快速發(fā)展，基于A-V-A和T-ψ等渦流場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算問題。

對于變壓器的溫度場計算，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)來計算變壓器瞬態(tài)熱點溫升，操作快速簡單但是計算精度較低，且未考慮變壓器結(jié)構(gòu)對溫度分布的影響。

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

針對變壓器內(nèi)部的熱點分布，國內(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流-固耦合問題的效率，在求解流體問題時多采用有限體積法，該方法也是目前變壓器溫升分布和計算的研究熱點。

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)的三維電磁場和溫度場計算模型，基于三維瞬態(tài)場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，將磁場節(jié)點損耗密度映射至三維流體場中，考慮磁性材料的溫度效應(yīng)，對變壓器進行溫度場仿真計算，同時通過熱電偶多路溫度測試儀對變壓器進行溫升測試實驗，驗證仿真模型的合理性與準(zhǔn)確性。

圖1 變壓器溫升測試平臺

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)更加符合變壓器實際運行狀態(tài)下的損耗計算和熱源分布。

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121℃，高壓餅式繞組最熱點區(qū)域位于外層第一個繞包線中間兩列，最熱溫度可高達150℃，與表面存在5℃左右的溫度差。

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

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

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