箔繞變壓（yā）器（qì）負載損耗（hào）的仿真計算方法被南瑞集團等單位（wèi）研究者提出

變壓器負載損耗意味著在運行時的能量損失，負（fù）載損耗計算也為變壓器的（de）溫升計算奠定基礎。一般（bān）認為，變壓器的負載損（sǔn）耗由繞（rào）組（zǔ）直流電阻（zǔ）損耗、繞組渦流損耗、繞組環流損耗（存在並（bìng）聯導線時）、雜散損耗（漏磁場引起的結構件上的損耗）及引線損耗幾部分組成（chéng）。學者們針對變壓器負（fù）載損耗計算開展（zhǎn）了大量（liàng）研究。有文獻通過有限元法得到了變壓器繞組的渦流損耗，有文獻分析了不同繞組導線換位方式對（duì）變壓器繞組環流損耗的（de）影響。

在變壓器結構件損耗計算方麵，近年來普遍采用精確度更高（gāo）的數值方（fāng）法進（jìn）行仿真計算。有文獻通過建立變壓（yā）器的三維仿真模型，計算了變壓器的結構件（jiàn）損耗，有文獻建立了變壓器繞組的精細化仿真（zhēn）模型，然而以（yǐ）上文獻所建立的變壓器三維模型均未考慮大電流引線（xiàn）結構對漏磁場和結構件損耗的影響。

有文（wén）獻研究了不同引線結構在（zài）夾件中產生的損耗，但建立的仿真模型僅涉及（jí）引線結構而未包含變壓器繞組；有文獻（xiàn）研究了變壓器采用短路負載法進行溫升試驗時，短接銅排對油箱結構件溫升的影響，所建立的仿真模（mó）型包含繞組和短接銅排，但未關注和分析繞組引線對結構件損耗（hào）的影響。李立浧院士在相關文獻中指出，在變壓器性能的數值仿（fǎng）真計算方麵，缺乏對繞組引線結（jié）構三維物理場分布的細化分析。

本文針對大電流低壓箔繞變壓器因忽略引（yǐn）線結構而造成負載損（sǔn）耗計算誤差較大（dà）的問題，以大電流立體卷鐵心低壓箔繞（rào）變壓器為研究對象，建立（lì）考慮繞組和引（yǐn）線複（fù）合漏磁（cí）場的變壓器仿真（zhēn）模型（xíng），研究變壓器引（yǐn）線結構對繞組損（sǔn）耗及結構件損耗的影響，並基於繞組和引線結構的複（fù）合漏磁（cí）場模型對變壓器負載損耗各組成成分進行計算，最後將計（jì）算值與（yǔ）試驗值進行對比（bǐ）分（fèn）析。

一、基於複合漏磁場的變壓器損耗仿真

變壓器的漏磁場強度分布基本與繞組、引線的電流大小成正比。求解得到連接引線後繞組（zǔ）和引線的實際電流密度分布，就能得到更真（zhēn）實的變壓器漏磁場分布。漏磁通穿過結構件時，形成（chéng）結構（gòu）件損耗，損耗的大小與漏（lòu）磁（cí）場分布、強弱、構件形狀與尺寸等因素（sù）有關。若要準確計算結構件和箔繞繞組的損耗，則需基（jī）於繞組（zǔ）和引線結構的複合（hé）漏磁場進行電磁仿（fǎng）真分析。

1.1 基於複合漏磁場的變壓器損耗仿真模型

作為研究對象的非晶立體卷變壓器，型號（hào）為SBH25—M—2500/10，冷（lěng）卻（què）方式為油浸式自（zì）然對流冷卻（oil natural air natural, ONAN），聯結（jié）組標號為Dyn11。該變壓（yā）器的主要參數見表1。

表1 變壓器主要參數

基於變壓器的初始結構（gòu）構建仿真模型，進行變（biàn）壓器的負載損耗仿真計算。該（gāi）模（mó）型包含引線結構，考慮了（le）由繞（rào）組（zǔ）和引線引起的複合漏磁場的影響，忽略了絕緣件及油箱散熱片等損耗較小（xiǎo）的零部件。

模型（xíng）中的高壓繞組被簡化為一個圓筒，設置繞組匝數為390匝；低壓繞組和引線按照實（shí）際尺寸、匝數（銅箔並繞厚度為3.5mm）進行建模。建立的基於複合漏磁場的變壓器（qì）仿（fǎng）真模型如圖1所示。

圖1 基於複合漏磁場的變壓器仿真模（mó）型

1.2 材（cái）料參數和邊界條件

該變壓器電流較大，高壓繞組導（dǎo）線為銅線，低壓繞組由銅（tóng）箔繞成。由於變壓器負載損耗試驗以75℃為參考溫度，因（yīn）此將（jiāng）銅材（cái）的（de）體電導率設置為75℃時的參數。鐵心材料為非（fēi）晶合金。上夾件、下（xià）夾件為304不鏽鋼（gāng）材料，箱蓋上設置304不鏽鋼隔磁板，箱蓋其餘部分及油箱材料為Q235A鋼板。仿真模型的材料參數見表2。

表2 仿真模（mó）型的材料參（cān）數

變壓器進（jìn）行負載損耗試（shì）驗時，將變壓器（qì）一側繞組短接，使繞組中通過的電流為額定（dìng）電流，這時另一側繞組的電壓為阻抗電壓。

電磁仿真的外電路如圖2所示。仿真（zhēn）時，通過外電路給高壓側繞組施加阻抗電壓（阻抗（kàng）比5.16%），並設置高壓側繞組的直流電阻；低（dī）壓側在低壓套管（guǎn）的銅（tóng）棒端部通過銅排短接。低壓（yā）側繞組的電流通過磁場能量交換自動感應獲（huò）得。

圖2 電磁仿真的外電路

1.3 仿真結果

電磁仿真得到的低壓箔繞繞組的（de）電流（liú）密度分布如圖（tú）3所示。

圖3 低壓箔繞繞組的電流（liú）密度分布

仿真得（dé）到的零件損耗見表3。表3的數據表明，該（gāi）變壓器結構件的渦流損耗約3513W，低壓箔繞繞組的損耗約為5962W（該仿真值包含直流電阻損耗和渦流損耗），低壓引線的損耗約為（wéi）2025W。

表（biǎo）3 仿真得到的零件損耗

忽（hū）略低壓引線結構再次進行電（diàn）磁仿真分析（xī），得到結構件損耗的數值僅為127W。A相繞組頂端的輻向漏（lòu）磁（cí）感應強度如圖（tú）4所示，其中（zhōng）實線表示模型不含（hán）引線結構時（shí）仿真得到的磁感應強度幅值（zhí）分布，虛線表示（shì）基於複合漏磁場模型仿真得到的磁感應強度幅值分布（兩側為繞（rào）組，中間為鐵心（xīn））。

圖4 A相繞組頂端的輻向漏磁（cí）感應強（qiáng）度

圖4表明，當模型（xíng）不含（hán）低壓（yā）引線結構時，仿真得到的A相繞組頂端輻向漏磁感應（yīng）強度的幅值分（fèn）布基本對稱；采用包含低壓引線結構的（de）複合漏磁場模型時，仿真數據顯示，在靠近（jìn）低壓引線結構的位置，磁感應強度幅值較不含引線結構模型同位置的磁感應強度幅值明顯增大，在遠離引線結構的位置，磁感應強度幅值與不含引線結構模型（xíng）同位置（zhì）的磁感應強度幅值基（jī）本相同。

二、負載損耗的計算（suàn）與驗證

2.1 變壓（yā）器負（fù）載損耗的計算

變壓器損耗由（yóu）繞（rào）組損耗、引線損耗和（hé）結構（gòu）件（jiàn）損（sǔn）耗組成。繞組損耗包括繞組直流損耗、繞組渦（wō）流損耗和繞組環流損耗（存在並聯導線時）3部分。

前（qián）麵基於（yú）箔繞變壓（yā）器的複合漏磁（cí）場模型開（kāi）展了電磁（cí）仿真分析，得到了低壓箔繞繞組（仿真模型將並繞（rào）導體視為整體進行建（jiàn）模，因此仿真（zhēn）時不求解環流損耗）、低壓引線和結構件上的直流（liú）及渦（wō）流損耗數值，下麵對高、低壓繞組的環流損耗、高壓繞組的直流電阻損耗和渦流損耗進行公（gōng）式推導計算。

1）環（huán）流損耗計算

對於大（dà）電流（liú）變壓器，為減小導線的渦（wō）流損耗，需采用並聯導線的方式繞製（zhì）變壓器繞組（zǔ）。在並聯導線（xiàn）中，更靠近（jìn）漏（lòu）磁（cí）主空道處的導線處於（yú）漏磁（cí）感應強度更高（gāo）的位（wèi）置（zhì），因此其感應的漏電勢比距主（zhǔ）空（kōng）道遠的導線感應的漏電勢（shì）大，這樣各並聯導線間就存在電（diàn）位差，從（cóng）而引（yǐn）起（qǐ）循環電流，進而在繞組中產生環流損耗（hào）。

本文中的非晶合金變壓器並聯導線隻有2根，初（chū）始模型中未進行換（huàn）位（wèi），結構比（bǐ）較（jiào）簡單，因此采用歐（ōu）姆定律（lǜ）解析方法進行（háng）繞組環流損耗計算。

該2 500kV∙A非晶合金變壓器高壓繞組為2根導線並繞（rào），低（dī）壓繞組為2層銅（tóng）箔並（bìng）繞，因此可以簡（jiǎn）化得到高壓、低壓側繞組的環流等效電路如圖5所示。

圖5 變壓器的環（huán）流等（děng）效（xiào）電路

式（1）-（6）

2.2 變壓器負載損耗計算值的驗證

對（duì）該變壓器進行負載損耗試驗，得到負載損耗試驗值為17800W。變壓器初始結構的負載損耗見（jiàn）表4。

表4 初始結構（gòu）的負載（zǎi）損耗

由表4可知，基於變壓器複合漏磁場模型進（jìn）行仿真和（hé）計（jì）算得到的負載損（sǔn）耗值（zhí）為17 123W，仿（fǎng）真計算值與試驗值（zhí）的絕對誤差為677W，相對誤差（chà）為3.8%。

三、結構優化及負載損耗計算值的驗證

該型號變（biàn）壓器（qì）為（wéi）一級能效變壓器，負載損耗標準值為15450W，初始結構的負載損（sǔn）耗計算值和試驗值表（biǎo）明，初始（shǐ）結構不能滿足要求（qiú），需進行優化設（shè）計。將高壓繞組並聯導線進行完全換位，消除高壓繞組環流損耗並優化低（dī）壓引線（xiàn）結構。

結構優化後的變（biàn）壓器複合漏（lòu）磁場仿真模型如（rú）圖6所示。對（duì）優化後（hòu）的變壓器負載損耗各成分（fèn）進行基於（yú）複合漏磁場模型的負載損耗仿真計算和試驗驗證，得到優化結構的負載損耗見表5。

圖6 結構（gòu）優化後（hòu）的（de）變壓器複合漏磁場仿真模型

對優化後的變壓器進行負載損耗試驗，得到該變（biàn）壓器負載損耗試驗值為14 088W。基於變壓器複合漏（lòu）磁場模型（xíng）進行仿真和計算（suàn）得到的負載損耗值為13 440W，仿真計算值與試驗值的絕對誤差為648W，相對（duì）誤差（chà）為4.6%。

表5 優化結構的負載損耗

在基於複合漏磁場模型的仿真中，優化結構（gòu）的結構件（jiàn）損（sǔn）耗值為1 080W，對比無引線模型的（de）結構件損耗仿真值127W，兩種仿真模型得到（dào）的結構件（jiàn）損耗（hào）相對誤差為953W，相對誤差約88%。

表5中數據表（biǎo）明：

1） 結構優化後的變壓器總負載損耗為14088W，滿足對該型（xíng）號變壓器（qì）的（de）負載損耗要求（qiú）。

2）繞組首末端（duān）低壓引（yǐn）線重合布置方式下，引線漏磁場相互抵消，可顯著降低結構（gòu）件損（sǔn）耗和低壓箔繞繞組損耗，結構件損耗降低（dī）約69%，箔（bó）繞繞組損耗降低約7.7%。

四、總結（jié）

本（běn）文以大（dà）電流立體卷鐵心低（dī）壓箔繞變壓器為（wéi）研究對象，建立了考慮繞組和引線複合漏磁場的（de）變壓器仿真模型，研究了引線結構對箔繞繞組損耗（hào）及結構件損耗的影響，對（duì）變壓（yā）器負載損耗各組（zǔ）成成分進行了計算，並通過試驗對仿真計算方法的正確性進行了驗證，得（dé）到如下結論：

1）在箔繞變壓器的負載損耗仿真模型中，有無引線結構使結構件損耗仿真數（shù）值的（de）相對誤（wù）差高茄子视频APP网站88%，采用考慮引線結構（gòu）的複合（hé）漏磁場模型進行仿真得（dé）到的（de）結果更準（zhǔn）確。

2）在箔繞（rào）變壓器結構中，低壓引線結構（gòu）的不同會引起箔繞繞組和（hé）結構件（jiàn）損耗的變化，采（cǎi）用（yòng）含引線結構的複合漏磁場模（mó）型能夠準確（què）計算不同引線結（jié）構時箔繞繞組和結構件的損耗（hào）；同時，優化引（yǐn）線布置方式，使引線磁場互相（xiàng）抵消，可顯著降低結構件損耗、有效降低箔繞繞組損耗。

3）本文所述（shù）負載損耗計算方法具有較高準確度，可應（yīng）用於新結構大電流箔繞變壓器產品設計階段，以精確計（jì）算負載損耗數值，使變壓器產品滿足（zú）相應能效等級的負載損耗（hào）要求，降（jiàng）低產品研發成本。