箔繞變壓器負載損耗（hào）的仿真計算方法被南瑞集團等單位研究者提（tí）出

變壓器負（fù）載損耗意味著（zhe）在（zài）運行時的能量損失，負載（zǎi）損耗（hào）計算也為變壓器的溫升計算奠定（dìng）基礎（chǔ）。一般（bān）認為（wéi），變壓器的負（fù）載損耗由繞組直流電阻（zǔ）損耗、繞組渦流損耗、繞組環流損耗（存在並聯（lián）導線時）、雜散損耗（漏（lòu）磁場引（yǐn）起的（de）結（jié）構件上的損耗）及引線（xiàn）損耗幾部分組成。學者們針對變壓（yā）器負載損（sǔn）耗計算開展了（le）大量研究。有文獻通過有限元（yuán）法得到了變壓器繞組的渦流損耗，有文獻分析（xī）了不同繞組導線換位方式對變壓器繞組環流損耗的影響。

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

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

本（běn）文針對大電流低壓箔繞變（biàn）壓器因忽略引線結構而造成負載（zǎi）損耗計算（suàn）誤差較大的問題，以（yǐ）大電流立體卷鐵心低壓箔繞變壓器為研究對（duì）象，建（jiàn）立考慮繞組和引線複合漏磁場的變壓器仿真模型，研究變壓（yā）器引線結構對繞組損耗及結構件（jiàn）損耗的影響，並基於繞（rào）組和引線結構的複合漏磁場模型對變壓器負載損耗各組成成分進行計（jì）算，最後將計算值與試（shì）驗值進行對比（bǐ）分析。

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（jī）本與繞組、引線的電流大小成正比。求解得到連接引（yǐn）線後繞組和引線（xiàn）的實（shí）際電流密（mì）度（dù）分（fèn）布，就能得到更真實的變壓器（qì）漏磁場分布。漏磁通穿過結構（gòu）件（jiàn）時，形成結構件損耗，損耗的大小與漏磁場分布、強弱、構件形狀與尺（chǐ）寸等因素有關（guān）。若要準確計算（suàn）結構（gòu）件和箔繞繞組的損耗，則需基於（yú）繞組和引線結構的複合漏磁場進行電磁仿真分析。

1.1 基於（yú）複合漏磁場的變壓器損耗仿真模（mó）型（xíng）

作為研究（jiū）對象（xiàng）的非晶立體卷變壓器，型號為SBH25—M—2500/10，冷卻方式為油浸式自然對流冷卻（oil natural air natural, ONAN），聯結組標號為Dyn11。該變壓器的主要參數見表1。

表1 變壓器主要參數

基於變壓器的初始結構構建仿真模型（xíng），進行變（biàn）壓器的負載損（sǔn）耗仿真計算。該模型包含引（yǐn）線結（jié）構，考慮了由繞組（zǔ）和引線引起的複合漏磁場（chǎng）的影響，忽略了絕緣件及油箱散（sàn）熱片等損耗較（jiào）小的（de）零部件。

模型中的高壓繞組被簡化為一個圓筒，設（shè）置繞組匝數（shù）為390匝；低壓繞組和引線按（àn）照實際尺寸、匝數（shù）（銅箔並繞厚度為3.5mm）進（jìn）行建模。建立的基於複合漏磁場的變壓器仿真模型如圖1所示。

圖1 基於複合漏磁場的變壓器仿（fǎng）真模型

1.2 材料參數和邊界條件

該變壓器電流較大，高壓繞（rào）組導線為銅線，低壓繞（rào）組（zǔ）由銅箔繞（rào）成（chéng）。由於變壓器負載損耗試（shì）驗以75℃為參（cān）考溫度，因此將銅材的體電導率設置（zhì）為75℃時的參數。鐵心材料為非晶合金。上夾件、下夾件為304不鏽鋼（gāng）材料，箱蓋（gài）上設（shè）置304不鏽鋼隔磁板（bǎn），箱蓋其餘部分（fèn）及油箱材料為Q235A鋼板。仿真模型的（de）材（cái）料參數見表2。

表2 仿真模型的材料參數

變（biàn）壓器進行負載損耗試驗時，將變壓器一（yī）側繞組短接，使繞組中通過的電流為額定電流，這時另一側（cè）繞組的電壓為（wéi）阻抗電壓。

電磁仿真的外電路如圖2所示（shì）。仿（fǎng）真時，通過外電路給高（gāo）壓側繞組施加阻抗電壓（阻抗比5.16%），並設置高（gāo）壓側繞（rào）組的直（zhí）流電阻；低壓側（cè）在低壓套（tào）管的銅棒端部通過銅排（pái）短接（jiē）。低壓側繞組（zǔ）的電流通過磁場能量交（jiāo）換（huàn）自動感應獲得。

圖2 電磁仿真的外電（diàn）路

1.3 仿真結果

電磁仿真得到的低壓箔繞繞組的電流密度分布如圖3所示。

圖3 低壓箔繞繞組的電流密度分布

仿真得到的零件損耗見表3。表3的（de）數據表明（míng），該變壓器結構件的（de）渦流（liú）損耗約3513W，低壓箔繞繞（rào）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（yā）引線的損耗約為2025W。

表3 仿（fǎng）真得到的零件損耗

忽略低壓引線結構（gòu）再次進行電磁仿真分析，得到結構件損耗的數值僅為127W。A相繞組頂端的輻向漏磁感應強度如圖4所示，其中實線表示模型不含引線結構時仿真得到（dào）的磁感應強（qiáng）度幅值分布，虛線表示（shì）基於複合（hé）漏磁場模型仿真得到的磁感應（yīng）強度幅值（zhí）分布（bù）（兩側為繞組，中間為鐵心）。

圖4 A相繞組頂端的輻向漏磁感應（yīng）強度

圖4表明，當模型不含低壓引線結構時，仿（fǎng）真得到的A相（xiàng）繞組（zǔ）頂端輻向漏磁感應強度的幅值分布基（jī）本對稱；采用包含低壓引線結構（gòu）的複合漏磁場模型時，仿真數據顯示（shì），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（jié）構模型同位置的（de）磁感應強度幅值明顯增大，在（zài）遠離引（yǐn）線結構的位置，磁感應強度幅值與不含引線結構模型同位置的磁感應強度幅值基本相同。

二、負載損耗的計算與驗證

2.1 變壓器（qì）負（fù）載損耗的計算

變壓器損耗由繞組損耗、引線損耗和結（jié）構件損耗組成。繞組損耗包括繞組直（zhí）流損耗、繞組渦流損耗和繞組環流損耗（存在並聯導線（xiàn）時）3部分。

前（qián）麵基於箔繞變壓器的複合漏磁場模型開展了電磁仿真分析，得到了低壓箔繞繞組（仿（fǎng）真模型將並繞導體視為整體（tǐ）進行建模，因此仿真時不求解（jiě）環流損耗）、低壓引線和結構件上的直流（liú）及渦流損耗數值，下麵對高、低壓繞組的環流損耗、高壓繞組的直流電阻損（sǔn）耗和渦流損耗進行公式推導計算。

1）環流損耗計算

對（duì）於（yú）大電流變壓器（qì），為減小導線的渦流損耗，需采用並聯導線的方式繞製變壓器繞（rào）組。在並聯導線中，更靠近（jìn）漏磁主空道處的（de）導線（xiàn）處於（yú）漏磁（cí）感應強度更高的位置（zhì），因此其感應的漏電勢比距主空道遠（yuǎn）的導線感應的漏電勢大，這樣各並（bìng）聯導（dǎo）線間就存在電位差，從而引起循環電流，進而在（zài）繞組中產生環流損耗。

本文中的非晶合金變壓器並聯導線隻有2根，初始模型中未進行換（huàn）位，結構比較簡單，因（yīn）此（cǐ）采用歐姆定律解析方法進行繞組環流損耗計算。

該（gāi）2 500kV∙A非晶合金變壓器高（gāo）壓繞組為2根（gēn）導線並繞，低壓繞組為2層銅箔並（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（lù）如圖5所（suǒ）示。

圖5 變壓器的（de）環流（liú）等效電路

式（1）-（6）

2.2 變壓器負載損耗計算值的驗（yàn）證

對（duì）該（gāi）變壓器（qì）進行負（fù）載（zǎi）損耗試驗，得到負載損耗試驗值為17800W。變壓器初始結構的（de）負（fù）載損耗（hào）見表4。

表4 初始結（jié）構的負載損耗

由表4可知，基於變壓器（qì）複合漏（lòu）磁場模型進行仿真和計算得到的負載損耗（hào）值為17 123W，仿真計算（suàn）值與試驗值的絕對誤差為677W，相對誤差為3.8%。

三、結構優化及負載損（sǔn）耗計（jì）算值的驗證

該型號變壓器為（wéi）一級能效變壓器（qì），負載損耗標準值為15450W，初（chū）始結構的（de）負載損耗計算值和試驗值表明，初始結構（gòu）不能滿足要求，需進行優化設計。將高壓繞組並聯導線進行完全換位（wèi），消除高壓繞組環流損耗並優化低壓引線結構。

結構優化後的變壓器複（fù）合漏磁場仿真（zhēn）模型如（rú）圖6所示。對優化後的變壓器負載損耗各成分進行（háng）基於複合漏磁場模型的負載損耗仿真（zhēn）計算和試驗（yàn）驗證，得到優化結構的負載損耗見表5。

圖6 結（jié）構優化後的變壓器複合漏磁場仿真模型

對優化後的變壓器進行負載（zǎi）損耗試驗，得到該變壓器負載損耗試驗值為14 088W。基（jī）於（yú）變壓（yā）器複合（hé）漏磁場模型進行仿真和計算得到的負載損耗值為13 440W，仿（fǎng）真計算值與試驗值的絕（jué）對誤差為（wéi）648W，相對誤差為4.6%。

表5 優化結構的負載（zǎi）損耗（hào）

在基於複合漏磁場模型的仿真（zhēn）中，優化結（jié）構的結構件損耗值為1 080W，對比無（wú）引線模型的結構件損耗仿真值127W，兩種（zhǒng）仿真模型（xíng）得（dé）到的結構件損耗相對誤差為953W，相對誤差（chà）約88%。

表5中數據表明：

1） 結構優化（huà）後的變壓器總（zǒng）負載損耗為14088W，滿足對該型號變壓（yā）器的（de）負載損耗要（yào）求。

2）繞組首末（mò）端低壓引（yǐn）線重合布置（zhì）方式下，引線漏磁場相互抵消，可顯著降低結（jié）構件損耗（hào）和低壓箔繞繞組損耗，結構件損耗降低約69%，箔（bó）繞繞組損耗降低約7.7%。

四、總（zǒng）結（jié）

本文以大電（diàn）流（liú）立體卷鐵心低壓箔繞變壓（yā）器為研究對象，建立了考慮繞組和引線複合漏磁場的變壓器仿真模型，研究了引線結構對箔（bó）繞繞組損耗及（jí）結構件損耗的影響，對變壓器負（fù）載損（sǔn）耗各組成成（chéng）分進（jìn）行了計算，並通過試驗對仿真計算方法的正確性（xìng）進行（háng）了驗證（zhèng），得到如下結論：

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值的相對誤差高達88%，采用考慮引（yǐn）線結構的複合漏磁場模型進行仿真得（dé）到的結果更準確。

2）在箔繞變壓器結構中，低壓引線結構的（de）不同會引起箔（bó）繞繞組和結構件損耗的變化，采用含引線結構的複合漏磁場模型能夠準確計算不同引線結（jié）構時箔（bó）繞繞組和結構件的損耗；同時，優化引線布置方式，使引線磁場互（hù）相抵消，可（kě）顯著降低結構件損耗、有效降低箔繞繞（rào）組（zǔ）損耗。

3）本文所（suǒ）述負載損耗計算方（fāng）法具有較高準確度，可應用於新結構大電流（liú）箔繞（rào）變壓器產品設計（jì）階段，以精確計算負載（zǎi）損耗數值，使變壓（yā）器產品滿足相應能效等級的負載損耗要求，降低產品研發成本。