箔繞變壓器負載損（sǔn）耗的仿真計算方法被南瑞集團（tuán）等單位研究者提出

變壓器負載損耗意味著在運行（háng）時（shí）的能量損失，負載損耗計算也為變壓器（qì）的溫升計算奠定基（jī）礎。一般認為（wéi），變（biàn）壓器的負載損耗由繞組直流電阻損耗、繞組渦（wō）流（liú）損（sǔn）耗、繞（rào）組環流損耗（hào）（存在並聯導線時）、雜散損耗（漏磁場引起的結構件上（shàng）的損耗）及引線損（sǔn）耗幾部分組成。學者們針對變壓器負載（zǎi）損耗計算開（kāi）展了大量（liàng）研究。有文獻通過有限元法得到了變壓器繞組的渦流（liú）損耗，有文獻分析了不同（tóng）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。有文獻通過建立變壓器的三維仿（fǎng）真模型（xíng），計算了變壓器的（de）結構件損耗，有文獻建立了（le）變壓器繞組的（de）精細化仿真模型（xíng），然而以上文獻所建立的變壓器三維模型均未考慮大電流引線結構對（duì）漏磁場和結構件損耗的影響。

有文（wén）獻研究了不（bú）同引線結構在夾件中產生的損耗，但建立的仿真模型（xíng）僅涉（shè）及引線結（jié）構而未包含變壓器（qì）繞組；有文獻研究了（le）變壓器采用短路（lù）負（fù）載（zǎi）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（jiàn）損（sǔn）耗的影響（xiǎng）。李立浧院士（shì）在相關文獻中指出（chū），在變壓器性能的數值仿真計算方麵，缺乏對繞組引（yǐn）線結構三維物理場分布的細化分析。

本文針（zhēn）對大電流低（dī）壓箔繞變壓器因忽略引線結構而造成負載損耗計算誤差較大的問題，以大電流（liú）立體卷鐵心低壓箔繞變壓（yā）器為研究對象（xiàng），建立考慮繞組和（hé）引線複合漏磁場的變壓器仿真模（mó）型，研究變壓器引線結構對（duì）繞組損耗及結構件損耗的（de）影響，並基於繞組（zǔ）和引線結構的複合（hé）漏磁（cí）場模型對變壓器負（fù）載損耗各組成成分進行（háng）計算（suàn），最後將計算值與試驗值進行對比分析。

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（fèn）布基本與繞組、引線的電流（liú）大小成正比。求解得到連接引線（xiàn）後繞組和引線的實際電流密度分布（bù），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，形成結構件損耗，損耗的大小與漏磁場分布、強弱（ruò）、構件形（xíng）狀與尺（chǐ）寸等因素有關。若要準確計算結構件和箔繞繞組的損（sǔn）耗，則需基於繞（rào）組（zǔ）和引線結構的複合漏磁場進行電磁仿真分析。

1.1 基於複合漏磁場的變壓器損耗仿真模型（xíng）

作為研究對象的非晶立體（tǐ）卷變壓器，型號為SBH25—M—2500/10，冷（lěng）卻方式為油浸式自然對（duì）流冷（lěng）卻（oil natural air natural, ONAN），聯結組標號為Dyn11。該變壓器（qì）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（zhēn）模型，進行變壓器的負載損耗仿真計算。該模型包含引線結構，考慮了由繞組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（jiào）小的零部件。

模型中的高壓繞組被簡化為一個圓筒，設置繞組（zǔ）匝數為390匝；低壓繞（rào）組（zǔ）和引線按（àn）照實際尺（chǐ）寸、匝數（銅箔並繞厚度為3.5mm）進行建模（mó）。建立的基於複合漏磁場的變壓（yā）器仿真模型如圖1所示。

圖1 基（jī）於複合漏（lòu）磁場的變（biàn）壓器仿真模型

1.2 材料參（cān）數和邊界條件

該變壓器電流較大，高壓繞組導線（xiàn）為（wéi）銅線，低（dī）壓繞組（zǔ）由銅箔繞成。由（yóu）於變壓器（qì）負載損耗試驗（yàn）以75℃為參考溫度，因此將銅材的體電導率設置為75℃時的參數。鐵心材料（liào）為非晶合金。上（shàng）夾件、下夾件為304不鏽鋼材料，箱蓋上設置304不鏽鋼隔磁板，箱蓋其餘部分及油箱材（cái）料（liào）為Q235A鋼板。仿真模型的材（cái）料參數見表2。

表2 仿真模型的材料參數

變壓器進行負載損耗試驗時，將變壓器一側繞組短接，使（shǐ）繞組（zǔ）中通過（guò）的電流為額定電流，這時另一側繞組的電壓為阻（zǔ）抗電壓。

電磁仿真的外電路如圖2所示。仿真時，通過外電路給高壓側繞組施加阻抗電壓（阻抗比（bǐ）5.16%），並設置高（gāo）壓側繞組（zǔ）的直流電阻；低壓側在低壓套管的銅棒端部通過銅排短接。低壓側繞組的電（diàn）流通過磁場能量交換自動感應獲得。

圖2 電磁仿真的外電路

1.3 仿真結果

電磁仿真得（dé）到的低（dī）壓箔繞繞組的電流密度分布如（rú）圖3所示（shì）。

圖（tú）3 低壓箔繞繞組的電流密度分布

仿真（zhēn）得（dé）到（dào）的零件損耗見（jiàn）表3。表3的數據表明，該變壓器（qì）結構件的渦流損耗約3513W，低壓（yā）箔繞繞組的損耗約為5962W（該仿真值包含直流電（diàn）阻損耗和渦流損耗），低壓引線的損耗約為2025W。

表（biǎo）3 仿真得到的零件損耗

忽略低壓引線結構再次進行電磁仿真分（fèn）析，得到結構件損（sǔn）耗的（de）數值僅為127W。A相繞組頂端的輻向漏磁感（gǎn）應強度如圖4所示，其中（zhōng）實線表示模型不含（hán）引線結構時仿真得到的磁感應強度幅值分布，虛線表示基於複合（hé）漏磁場模型（xíng）仿真得到的磁感應強度（dù）幅值分布（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強度

圖4表明，當模型（xíng）不含低壓引線結構時，仿真得到（dào）的A相繞組頂端輻向漏磁感應強度的幅值分布（bù）基本對稱；采用包含（hán）低壓引線結構的複合（hé）漏磁場模型時，仿真數據顯示，在靠近低（dī）壓（yā）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（cí）感應強度幅值明顯增（zēng）大，在遠離引線結構的位置，磁（cí）感（gǎn）應強度幅值與不含引線結構模型（xíng）同位（wèi）置的磁感應強度幅值基本相同。

二（èr）、負載損耗的計（jì）算與驗證

2.1 變壓器負載損耗的計算

變壓器損（sǔn）耗由繞組損耗、引線損耗和結構件（jiàn）損耗組成。繞組損耗包括繞（rào）組直流損耗、繞組渦流損耗和繞組環流損耗（存在並聯導線時）3部分。

前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（仿真模型將（jiāng）並（bìng）繞導體視為整體進行建模，因此仿真時不求（qiú）解環流損耗（hào））、低壓引線和結構件上的直流及渦（wō）流損耗數值，下麵（miàn）對高（gāo）、低壓繞組的環流損耗、高壓繞組的直流（liú）電阻損耗（hào）和渦流損耗進（jìn）行公式推導計算。

1）環流損耗計算

對於大電流變壓器（qì），為減小導線的渦流損耗，需采用並（bìng）聯導線的方式繞製變壓（yā）器繞組。在並聯導線中，更靠（kào）近漏磁主空（kōng）道處的導線（xiàn）處於漏磁感應強度更高的位置，因此（cǐ）其感應的漏電勢比距主空道遠（yuǎn）的導（dǎo）線感應的漏電勢大，這樣各並（bìng）聯導線間就存在電（diàn）位（wèi）差，從而引起（qǐ）循環電流（liú），進而在繞組中產生環流（liú）損耗。

本文中的非晶合金變壓器並聯導線隻有2根，初始（shǐ）模型（xíng）中未進行換位，結構比較簡單，因此采用歐（ōu）姆定律解析方法進行繞組環流損耗計算。

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

圖5 變壓器的環流等效電路

式（1）-（6）

2.2 變壓器負載損耗計算值的驗證（zhèng）

對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表4。

表4 初始結構的負載損（sǔn）耗

由表4可知，基於變（biàn）壓器（qì）複合漏磁場（chǎng）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（sān）、結構優化及負載（zǎi）損耗計算值的（de）驗證

該型號變壓（yā）器為一級能（néng）效（xiào）變壓（yā）器，負載（zǎi）損耗標準值為15450W，初（chū）始結構的負載損耗計算值和試驗值表明，初始結構不能滿足要求，需進行優化設計（jì）。將高壓繞組（zǔ）並聯導線進行完全換位，消（xiāo）除高壓繞（rào）組環流損耗（hào）並優化低壓引線結（jié）構。

結構優化後的變壓器複合漏磁場（chǎng）仿真（zhēn）模型如圖6所示。對優化後的（de）變壓器負載損耗各成（chéng）分進行基於複合漏磁場模型的負（fù）載損耗仿真計（jì）算和試驗驗證，得到優化結（jié）構的負載損耗見（jiàn）表5。

圖6 結構優化後的變（biàn）壓器複合漏（lòu）磁場仿真模型

對優化後的變壓器進行（háng）負載（zǎi）損耗試驗，得到該變壓器負載損耗試驗值為14 088W。基於變壓器複合漏（lòu）磁場模（mó）型（xíng）進行仿真和計算得（dé）到的負載（zǎi）損（sǔn）耗值為13 440W，仿真計算值與試驗值（zhí）的絕對誤差為648W，相對誤差為4.6%。

表（biǎo）5 優化結構的負（fù）載損耗

在基於複合漏磁場模型的仿真中，優化結構的結構件損耗值為1 080W，對比無（wú）引（yǐn）線模型的結（jié）構件損耗仿真值127W，兩種仿真模型得到的結構（gòu）件損（sǔn）耗相對誤差為953W，相對誤差約88%。

表5中數據表明：

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

2）繞組首末端低壓引線重合（hé）布置方式下，引線漏磁場相互抵消，可顯著降低結構件損耗和（hé）低壓（yā）箔繞繞（rào）組損耗（hào），結構件損耗降低約69%，箔繞繞組損耗降低約（yuē）7.7%。

四、總結

本文以大電流立體卷鐵心低壓箔繞變壓器為研究對象，建立了考（kǎo）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繞繞組損耗及結構件損耗的影響，對變壓器負載損耗各組成成分進行（háng）了計算，並通過試驗（yàn）對仿真計算方法的正（zhèng）確性進行了驗證，得到如（rú）下結論：

1）在箔繞變壓器的負（fù）載損耗仿（fǎng）真（zhēn）模型（xíng）中，有無引線（xiàn）結構使結構件損耗仿真數值的相對誤差高達88%，采（cǎi）用考慮引線結構的複（fù）合漏磁場模（mó）型進行仿真得到的結果更（gèng）準（zhǔn）確。

2）在箔繞變壓器結構中，低壓引線結構的不同會引起箔繞繞組和結構件損耗（hào）的變化，采用（yòng）含引線結構的複合漏磁場模型（xíng）能夠準確計算不同引線（xiàn）結構時箔繞繞組和（hé）結構件的損耗；同（tóng）時，優化引線布置方式，使引線磁場互（hù）相抵消，可顯著降（jiàng）低（dī）結構件損耗、有效降低箔繞繞組損耗。

3）本文所述負載損耗計算方法具有較高準（zhǔn）確度，可應用（yòng）於新結構大電流箔繞（rào）變（biàn）壓器產（chǎn）品設計階段，以精（jīng）確（què）計算負載損耗數（shù）值，使變壓器（qì）產品滿足相應能效等級的負（fù）載（zǎi）損耗要求，降（jiàng）低產品研發成本。