导磁钢板的涡流场仿真分析

王晓帆　曹阳

摘 要：近几年，大型电力变压器的杂散损耗问题一直是变压器工程内的经典难题，对实验研究和数值仿真而言更是一个长期的课题。对变压器中各个器件的损耗大小及分布问题还没有一个令人信服的结果。变压器容量的增大，将引起漏磁场增大，涡流损耗随之增大，从而导致的局部过热就会越突出，这会给电网和变压器厂商带来极大的损失。因此，对变压器中的各个结构件进行研究，分析其中的损耗情况，具有很重要的理论和实际意义。文章介绍了电气工程中的涡流场问题，论述了变压器涡流场计算的意义和目的，并对两种常见的涡流场的数值计算方法进行了分析。在此基础上，对导磁钢板的损耗进行了分析和计算，最后讨论了减少导磁钢板中涡流损耗的方法。

关键词：变压器；导磁钢板；涡流损耗；局部过热

1 涡流损耗的研究意义

对电气工程中常见的涡流问题，国际电磁界和各国工业部门都投入了很多的精力，并已经取得了丰硕的研究成果。然而针对于大型电力变压器相关的涡流损耗研究，虽然国内外三维分析技术已经成熟，目前仍然存在着不少难题，值得相关领域研究人员进一步的探索[1-2]。

由于电力变压器单台容量的不断增加，电力变压器的漏磁场以及由此在油箱和结构件中引起的杂散损耗效果明显增加。因此一些小容量变压器可以忽视的问题，在大容量变压器中必须得以重视。局部过热现象的产生，主要是因为变压器结构件的复杂性和不规则性导致杂散损耗在构件中的分布非常不均匀而引起的，这一现象使得变压器的运行可靠性大大降低[3-4]。实践表明，确定变压器的涡流分布及损耗分布，合理布置屏蔽，不仅使变压器达到技术性能指标，还能有效降低损耗，增强变压器运行时的可靠性[5-7]。

2 涡流分析的基本方法

从20世纪末开始，人们就已经通过各种位组来对三维涡流进行计算与分析。在这其中最基本的涡流分析方法是A-V-A法和T法。A-V-A法可以对非线性、多子域和多连通等工程中存在的复杂问题进行分析。而T是另一种涡流分析的有效方法，它未知量少、运算量小、结果简单易实现，但它通常对多连通问题不能有效的求解。这两种方法都有自身的适用性，可以将它们结合起来，发挥各自优势来解决涡流分析。

3 导磁钢板中涡流损耗的计算

一般情况下，导磁钢板中的损耗包括涡流损耗和磁滞损耗。磁通密度Bm和磁滞损耗Wm两者的关系曲线是Bm-Wm曲线，通过这条曲线，我们能得到磁滞损耗。对导磁钢板中的涡流损耗，可以采用A-V-A法进行计算：

4 计算模型

杂散损耗问题，对实验研究和数值仿真而言都是一个复杂的经典难题。计算杂散损耗需要构建大型复杂的三维模型，考虑导磁和非导磁等多种材料、材料的非线性和各向异性、磁滞现象、集肤效应等，杂散损耗是由杂散场产生的，与复杂的整体三维漏磁场相关，在考察局部过热时还要考虑与温度场的耦合。所以，求解局部的杂散损耗实际上与求解整个漏磁场密不可分，这势必导致问题复杂化，而且，如何验证杂散损耗的分析方法的有效性，也是一个非常困难的难题。

TEAM Problem 21基准模型族里面就提供了导磁钢板的损耗测试实验值，其中以变压器油箱为背景的导磁钢板的基准模型命名是P21-B，它的工程背景是模拟变压器中的导磁和非导磁钢结构，即变压器油箱基本上由普通A3钢制成，只是在大电流引线穿越的附近区域采用非导磁钢，以减少涡流损耗，避免箱体局部可能的损耗密度集中。

随着导磁钢板所分层数增加，损耗密度逐渐增大，总损耗值也越来越大，说明总损耗值与实际越来越接近。涡流损耗随着层数增加损耗值也越来越大。同时，磁滞损耗的数值相对于其他数值并不小，因此它是不可忽略的。

5 减少变压器导磁钢板涡流损耗的措施

减少漏磁场的大小是降低漏磁场所引起的涡流损耗的最有效的措施。当漏磁场数值一定时，可以通过以下措施来降低导磁钢板的涡流损耗：

5.1 改善漏磁场分布

通过将漏磁场的分布进行改善，使漏磁场沿着引起最小损耗的磁路通过。实际中，可以在油箱壁的附近安装由铝板或铜板制成的电磁屏蔽或由硅钢片制成的磁屏蔽来减少涡流损耗。

5.2 改善绕组尺寸和结构

通过将绕组的尺寸和结构进行改善的方式来减少损耗，在垂直于磁场方向选用尺寸不大的导线可以有效地减小附加损耗。

5.3 采用磁导率和电导率低的材料

通过采用绝缘材料来制造夹件、压板及其他零件可以将结构件的发热情况有效的改善，从而减小其涡流损耗大小。

6 结束语

文章介绍了电气中的涡流场问题，并对涡流损耗的两种常见计算方法A-V-A和进行了简单介绍，然后对基于TEAM Problem 21模型下的导磁钢板中的损耗进行了计算，得出了导磁钢板不同分层下的涡流损耗值，文章对减少涡流损耗的几种方案进行了分析，研究导磁钢板的涡流损耗问题为变压器的设计和改善提供了理论上的指导，并对实际工程实践有一定的现实意义。

参考文献

[1]冯慈璋.电磁场（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1983.

[2]徐勇，周腊吾，朱英浩，等.变压器漏磁场的分析[J].变压器，2003，40（9）：1-3.

[3]章铭涛.电机学[M].北京：科学出版社，1964：7-8.

[4]周克定.工程电磁场专论[M].武汉：华中工学院出版社，1986：10-12.

[5]柴建云.大型变压器三维涡流漏磁场计算[D].清华大学，1989：22-38.

[6]谢德馨，等.变压器二维涡流问题有限元解[J].哈尔滨电工学院学报，1986，2.

[7]陈玉庆.大型变压器漏磁场、电场和应力场有限元分析[D].山东大学，2005.

作者简介：王晓帆（1989-），女，辽宁省沈阳市人，工作单位：特变电工沈阳变压器集团有限公司，职务：设计员，研究方向：电力变压器设计。