導磁鋼板的渦流場仿真分析

王曉帆　曹陽

摘 要：近幾年，大型電力變壓器的雜散損耗問題一直是變壓器工程內的經典難題，對實驗研究和數值仿真而言更是一個長期的課題。對變壓器中各個器件的損耗大小及分布問題還沒有一個令人信服的結果。變壓器容量的增大，將引起漏磁場增大，渦流損耗隨之增大，從而導致的局部過熱就會越突出，這會給電網和變壓器廠商帶來極大的損失。因此，對變壓器中的各個結構件進行研究，分析其中的損耗情況，具有很重要的理論和實際意義。文章介紹了電氣工程中的渦流場問題，論述了變壓器渦流場計算的意義和目的，并對兩種常見的渦流場的數值計算方法進行了分析。在此基礎上，對導磁鋼板的損耗進行了分析和計算，最后討論了減少導磁鋼板中渦流損耗的方法。

關鍵詞：變壓器；導磁鋼板；渦流損耗；局部過熱

1 渦流損耗的研究意義

對電氣工程中常見的渦流問題，國際電磁界和各國工業部門都投入了很多的精力，并已經取得了豐碩的研究成果。然而針對于大型電力變壓器相關的渦流損耗研究，雖然國內外三維分析技術已經成熟，目前仍然存在著不少難題，值得相關領域研究人員進一步的探索[1-2]。

由于電力變壓器單臺容量的不斷增加，電力變壓器的漏磁場以及由此在油箱和結構件中引起的雜散損耗效果明顯增加。因此一些小容量變壓器可以忽視的問題，在大容量變壓器中必須得以重視。局部過熱現象的產生，主要是因為變壓器結構件的復雜性和不規則性導致雜散損耗在構件中的分布非常不均勻而引起的，這一現象使得變壓器的運行可靠性大大降低[3-4]。實踐表明，確定變壓器的渦流分布及損耗分布，合理布置屏蔽，不僅使變壓器達到技術性能指標，還能有效降低損耗，增強變壓器運行時的可靠性[5-7]。

2 渦流分析的基本方法

從20世紀末開始，人們就已經通過各種位組來對三維渦流進行計算與分析。在這其中最基本的渦流分析方法是A-V-A法和T法。A-V-A法可以對非線性、多子域和多連通等工程中存在的復雜問題進行分析。而T是另一種渦流分析的有效方法，它未知量少、運算量小、結果簡單易實現，但它通常對多連通問題不能有效的求解。這兩種方法都有自身的適用性，可以將它們結合起來，發揮各自優勢來解決渦流分析。

3 導磁鋼板中渦流損耗的計算

一般情況下，導磁鋼板中的損耗包括渦流損耗和磁滯損耗。磁通密度Bm和磁滯損耗Wm兩者的關系曲線是Bm-Wm曲線，通過這條曲線，我們能得到磁滯損耗。對導磁鋼板中的渦流損耗，可以采用A-V-A法進行計算：

4 計算模型

雜散損耗問題，對實驗研究和數值仿真而言都是一個復雜的經典難題。計算雜散損耗需要構建大型復雜的三維模型，考慮導磁和非導磁等多種材料、材料的非線性和各向異性、磁滯現象、集膚效應等，雜散損耗是由雜散場產生的，與復雜的整體三維漏磁場相關，在考察局部過熱時還要考慮與溫度場的耦合。所以，求解局部的雜散損耗實際上與求解整個漏磁場密不可分，這勢必導致問題復雜化，而且，如何驗證雜散損耗的分析方法的有效性，也是一個非常困難的難題。

TEAM Problem 21基準模型族里面就提供了導磁鋼板的損耗測試實驗值，其中以變壓器油箱為背景的導磁鋼板的基準模型命名是P21-B，它的工程背景是模擬變壓器中的導磁和非導磁鋼結構，即變壓器油箱基本上由普通A3鋼制成，只是在大電流引線穿越的附近區域采用非導磁鋼，以減少渦流損耗，避免箱體局部可能的損耗密度集中。

隨著導磁鋼板所分層數增加，損耗密度逐漸增大，總損耗值也越來越大，說明總損耗值與實際越來越接近。渦流損耗隨著層數增加損耗值也越來越大。同時，磁滯損耗的數值相對于其他數值并不小，因此它是不可忽略的。

5 減少變壓器導磁鋼板渦流損耗的措施

減少漏磁場的大小是降低漏磁場所引起的渦流損耗的最有效的措施。當漏磁場數值一定時，可以通過以下措施來降低導磁鋼板的渦流損耗：

5.1 改善漏磁場分布

通過將漏磁場的分布進行改善，使漏磁場沿著引起最小損耗的磁路通過。實際中，可以在油箱壁的附近安裝由鋁板或銅板制成的電磁屏蔽或由硅鋼片制成的磁屏蔽來減少渦流損耗。

5.2 改善繞組尺寸和結構

通過將繞組的尺寸和結構進行改善的方式來減少損耗，在垂直于磁場方向選用尺寸不大的導線可以有效地減小附加損耗。

5.3 采用磁導率和電導率低的材料

通過采用絕緣材料來制造夾件、壓板及其他零件可以將結構件的發熱情況有效的改善，從而減小其渦流損耗大小。

6 結束語

文章介紹了電氣中的渦流場問題，并對渦流損耗的兩種常見計算方法A-V-A和進行了簡單介紹，然后對基于TEAM Problem 21模型下的導磁鋼板中的損耗進行了計算，得出了導磁鋼板不同分層下的渦流損耗值，文章對減少渦流損耗的幾種方案進行了分析，研究導磁鋼板的渦流損耗問題為變壓器的設計和改善提供了理論上的指導，并對實際工程實踐有一定的現實意義。

參考文獻

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[2]徐勇，周臘吾，朱英浩，等.變壓器漏磁場的分析[J].變壓器，2003，40（9）：1-3.

[3]章銘濤.電機學[M].北京：科學出版社，1964：7-8.

[4]周克定.工程電磁場專論[M].武漢：華中工學院出版社，1986：10-12.

[5]柴建云.大型變壓器三維渦流漏磁場計算[D].清華大學，1989：22-38.

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[7]陳玉慶.大型變壓器漏磁場、電場和應力場有限元分析[D].山東大學，2005.

作者簡介：王曉帆（1989-），女，遼寧省沈陽市人，工作單位：特變電工沈陽變壓器集團有限公司，職務：設計員，研究方向：電力變壓器設計。