在變壓器的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，雜散損耗是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。這些損耗主要發(fā)生在變壓器的油箱、鐵心夾件等結(jié)構(gòu)部件中，有時(shí)會(huì)超過(guò)負(fù)載損耗的20%。這是由于部分雜散磁場(chǎng)在變壓器的結(jié)構(gòu)部件及其相關(guān)油箱內(nèi)壁從而產(chǎn)生了雜散損耗。隨著變壓器功率的增加，這種雜散磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，從而產(chǎn)生加熱效應(yīng)。雜散磁場(chǎng)指的是擴(kuò)散到達(dá)油箱和鐵心夾件的磁場(chǎng)。變壓器的設(shè)計(jì)和制造通常涉及到繞組的高度和厚度的變化。然而，這種幾何不對(duì)稱性對(duì)變壓器雜散損耗的大小產(chǎn)生了重大影響。為此墨西哥瓜納華托大學(xué)Ivan A等研究人員研究探討了不對(duì)稱線圈對(duì)鐵心夾和變壓器內(nèi)壁雜散損耗產(chǎn)生的影響，并引入了一個(gè)模型來(lái)確定與線圈在特定距離處的色散磁場(chǎng)值。該分析擴(kuò)展到利用有限元電磁模擬來(lái)表征到達(dá)罐壁的擴(kuò)散磁場(chǎng)，探索了減少雜散損失的策略，包括放置磁性分流器作為儲(chǔ)罐壁的保護(hù)屏障，深入研究了采用變壓器殼型結(jié)構(gòu)來(lái)減輕磁色散場(chǎng)的有效性。
1.變壓器擴(kuò)散損耗的建模分析為了有效控制雜散損耗，研究人員建立了一個(gè)詳細(xì)的幾何模型，對(duì)柱式變壓器的雜散損耗進(jìn)行了深入分析。該模型涵蓋了變壓器的所有結(jié)構(gòu)部件及其定位。在模型中，鐵心被簡(jiǎn)化為一個(gè)實(shí)心件，沒(méi)有考慮層壓，因?yàn)檠芯康闹饕裹c(diǎn)是分析和計(jì)算磁分流器和油箱中的損耗。模型還包括了油箱壁的詳細(xì)分離，以便更詳細(xì)地分析每個(gè)壁中的雜散磁通量。此外，模型還考慮了初級(jí)和次級(jí)繞組的高度和厚度，以及磁分流器的高度。
在建模額外損耗時(shí)，研究人員沒(méi)有區(qū)分磁滯、渦流和額外損耗。他們將油箱的六個(gè)壁隔離出來(lái)，將它們視為單獨(dú)的低碳鋼板，以便更詳細(xì)地分析雜散損耗。通過(guò)使用有限元方法（FEM）進(jìn)行電磁仿真，研究人員得出了|Bd|的值，即雜散磁通密度。對(duì)于計(jì)算軟磁材料層壓中的損耗分量，研究人員采用了鐵心損耗和勵(lì)磁電流模型，通過(guò)Steinmetz方程、渦流損耗和額外損耗的方法進(jìn)行計(jì)算。這些方法增強(qiáng)了評(píng)估變壓器油箱壁中磁滯、渦流和額外損耗各自貢獻(xiàn)的精確度。為了分析雜散磁通φd及其密度Bd以及油箱和結(jié)構(gòu)部件中的額外損耗，研究人員使用了有限元方法（FEM）。該方法需要計(jì)算由渦流（Pe）引起的感應(yīng)損耗，不包括磁滯。研究人員使用了基于在頻域中求解磁矢勢(shì)A的模型。該模型的表達(dá)式包括了考慮材料電阻率和感應(yīng)電流密度矢量的方程。通過(guò)求解這些方程，研究人員能夠詳細(xì)分析油箱壁和磁分流器中的損耗。通過(guò)建立詳細(xì)的幾何模型和采用有限元方法，研究人員能夠準(zhǔn)確地分析和計(jì)算變壓器中的雜散損耗。這些模型和方法不僅提高了對(duì)雜散損耗的理解，還為變壓器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的工具。通過(guò)這些研究，可以更有效地控制變壓器中的額外損耗，提高變壓器的效率和性能。
2.變壓器雜散磁場(chǎng)的建模評(píng)估研究人員通過(guò)有限元方法（FEM）和COMSOL Multiphysics軟件，對(duì)油箱壁上的雜散磁通密度|Bd|進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)磁分流器時(shí)，右壁（Rw）中心的|Bd|最大值可達(dá)0.9T，而前壁（Fw）和后壁（Bw）的|Bd|值約為0.4T。通過(guò)放置磁分流器，右壁的|Bd|值可降低至0.4T，整體均方根（rms）值從0.68T降低到0.4T，降低了41.1%。其次，研究分析了繞組不對(duì)稱對(duì)雜散磁場(chǎng)的影響。理想情況下，當(dāng)兩個(gè)繞組的高度和厚度相等時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度|H|呈現(xiàn)等腰梯形分布。然而，實(shí)際設(shè)計(jì)中，繞組的高度和厚度可能不同，導(dǎo)致|H|呈現(xiàn)不等邊梯形分布。研究評(píng)估了不同繞組不對(duì)稱情況下的雜散磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)高壓繞組的高度和寬度大于低壓繞組時(shí)，雜散磁場(chǎng)顯著增加，導(dǎo)致額外損耗增加約16.1%。最后，提出了一種模型來(lái)估算磁場(chǎng)強(qiáng)度|H|和到達(dá)油箱壁的雜散磁場(chǎng)密度|Bd|，通過(guò)以下公式計(jì)算：
3.設(shè)計(jì)參數(shù)和損耗值的評(píng)估研究人員通過(guò)有限元方法（FEM）和提出的模型，對(duì)25MVA電力變壓器的雜散損耗進(jìn)行了評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)磁分流器時(shí)，油箱壁的總額外損耗為32.23kW，軛梁的損耗為1.84kW，總額外損耗為34.0kW。使用磁分流器后，總額外損耗降低到19.70kW，提出的模型結(jié)果為19.0kW，減少了約42%。其次，研究評(píng)估了不同繞組尺寸對(duì)雜散磁場(chǎng)和損耗的影響。理想情況下，繞組高度和寬度相等時(shí)，雜散磁場(chǎng)最小。實(shí)際情況下，高壓繞組的高度和寬度大于低壓繞組時(shí)，雜散磁場(chǎng)顯著增加，額外損耗增加約16.1%。使用磁分流器后，損耗顯著減少約44.2%。此外，研究還分析了三種材料（退火鋼、取向硅鋼和非晶帶材）的性能和成本。退火鋼成本較低，相對(duì)磁導(dǎo)率為2000，電阻率為0.143 µΩm。取向硅鋼（CRGO）電阻率為0.48 µΩm，非晶帶材電阻率為1.3 µΩm。通過(guò)FEM仿真，評(píng)估了不同材料的磁分流器對(duì)雜散磁場(chǎng)的吸收效果，發(fā)現(xiàn)取向硅鋼的吸收效果最好，但成本較高。圖2 雜散磁場(chǎng)吸收的比較：(a)雜散磁通密度；(b)|B|的表征
4.殼式配置對(duì)雜散磁場(chǎng)和損耗的影響殼式配置在變壓器設(shè)計(jì)中被廣泛認(rèn)為是一種有效減少磁場(chǎng)泄漏和降低額外損耗的方法。研究人員通過(guò)對(duì)比芯式和殼式變壓器的磁場(chǎng)分布和損耗，詳細(xì)評(píng)估了殼式配置的優(yōu)勢(shì)。殼式變壓器的油箱壁上的雜散磁場(chǎng)平均值約為300mT，比芯式變壓器低14%。殼式變壓器的總損耗預(yù)計(jì)減少6%到8%，盡管其油箱尺寸較大，空載損耗增加。殼式配置在減少雜散損耗方面的優(yōu)勢(shì)使其在高效變壓器設(shè)計(jì)中具有重要地位。設(shè)計(jì)者在選擇殼式配置時(shí)，需要權(quán)衡尺寸、成本和損耗的減少，以做出最佳決策。 圖3 殼式變壓器的活性部件（鐵心和繞組）以及油箱壁上的磁場(chǎng)分布
5.結(jié)論在變壓器設(shè)計(jì)和制造中減少雜散外損耗意味著在該業(yè)務(wù)領(lǐng)域具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：放置磁分流器可以使油箱的雜散損耗減少高達(dá)40%；此外，如果在設(shè)計(jì)階段力求使繞組的厚度和高度更加相等，可以避免雜散磁場(chǎng)，從而將油箱壁上的雜散損耗減少11%；通過(guò)評(píng)估不同材料的磁分流器對(duì)雜散磁場(chǎng)的吸收效果，發(fā)現(xiàn)取向硅鋼的吸收效果最好，但成本較高；使用殼式配置可以將油箱壁的雜散損耗減少高達(dá)14%。然而，還應(yīng)考慮殼式配置可能會(huì)增加油箱的尺寸，這意味著損耗可能僅減少6%到8%。
1.變壓器擴(kuò)散損耗的建模分析為了有效控制雜散損耗，研究人員建立了一個(gè)詳細(xì)的幾何模型，對(duì)柱式變壓器的雜散損耗進(jìn)行了深入分析。該模型涵蓋了變壓器的所有結(jié)構(gòu)部件及其定位。在模型中，鐵心被簡(jiǎn)化為一個(gè)實(shí)心件，沒(méi)有考慮層壓，因?yàn)檠芯康闹饕裹c(diǎn)是分析和計(jì)算磁分流器和油箱中的損耗。模型還包括了油箱壁的詳細(xì)分離，以便更詳細(xì)地分析每個(gè)壁中的雜散磁通量。此外，模型還考慮了初級(jí)和次級(jí)繞組的高度和厚度，以及磁分流器的高度。
在建模額外損耗時(shí)，研究人員沒(méi)有區(qū)分磁滯、渦流和額外損耗。他們將油箱的六個(gè)壁隔離出來(lái)，將它們視為單獨(dú)的低碳鋼板，以便更詳細(xì)地分析雜散損耗。通過(guò)使用有限元方法（FEM）進(jìn)行電磁仿真，研究人員得出了|Bd|的值，即雜散磁通密度。對(duì)于計(jì)算軟磁材料層壓中的損耗分量，研究人員采用了鐵心損耗和勵(lì)磁電流模型，通過(guò)Steinmetz方程、渦流損耗和額外損耗的方法進(jìn)行計(jì)算。這些方法增強(qiáng)了評(píng)估變壓器油箱壁中磁滯、渦流和額外損耗各自貢獻(xiàn)的精確度。為了分析雜散磁通φd及其密度Bd以及油箱和結(jié)構(gòu)部件中的額外損耗，研究人員使用了有限元方法（FEM）。該方法需要計(jì)算由渦流（Pe）引起的感應(yīng)損耗，不包括磁滯。研究人員使用了基于在頻域中求解磁矢勢(shì)A的模型。該模型的表達(dá)式包括了考慮材料電阻率和感應(yīng)電流密度矢量的方程。通過(guò)求解這些方程，研究人員能夠詳細(xì)分析油箱壁和磁分流器中的損耗。通過(guò)建立詳細(xì)的幾何模型和采用有限元方法，研究人員能夠準(zhǔn)確地分析和計(jì)算變壓器中的雜散損耗。這些模型和方法不僅提高了對(duì)雜散損耗的理解，還為變壓器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的工具。通過(guò)這些研究，可以更有效地控制變壓器中的額外損耗，提高變壓器的效率和性能。
2.變壓器雜散磁場(chǎng)的建模評(píng)估研究人員通過(guò)有限元方法（FEM）和COMSOL Multiphysics軟件，對(duì)油箱壁上的雜散磁通密度|Bd|進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)磁分流器時(shí)，右壁（Rw）中心的|Bd|最大值可達(dá)0.9T，而前壁（Fw）和后壁（Bw）的|Bd|值約為0.4T。通過(guò)放置磁分流器，右壁的|Bd|值可降低至0.4T，整體均方根（rms）值從0.68T降低到0.4T，降低了41.1%。其次，研究分析了繞組不對(duì)稱對(duì)雜散磁場(chǎng)的影響。理想情況下，當(dāng)兩個(gè)繞組的高度和厚度相等時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度|H|呈現(xiàn)等腰梯形分布。然而，實(shí)際設(shè)計(jì)中，繞組的高度和厚度可能不同，導(dǎo)致|H|呈現(xiàn)不等邊梯形分布。研究評(píng)估了不同繞組不對(duì)稱情況下的雜散磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)高壓繞組的高度和寬度大于低壓繞組時(shí)，雜散磁場(chǎng)顯著增加，導(dǎo)致額外損耗增加約16.1%。最后，提出了一種模型來(lái)估算磁場(chǎng)強(qiáng)度|H|和到達(dá)油箱壁的雜散磁場(chǎng)密度|Bd|，通過(guò)以下公式計(jì)算：
3.設(shè)計(jì)參數(shù)和損耗值的評(píng)估研究人員通過(guò)有限元方法（FEM）和提出的模型，對(duì)25MVA電力變壓器的雜散損耗進(jìn)行了評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)磁分流器時(shí)，油箱壁的總額外損耗為32.23kW，軛梁的損耗為1.84kW，總額外損耗為34.0kW。使用磁分流器后，總額外損耗降低到19.70kW，提出的模型結(jié)果為19.0kW，減少了約42%。其次，研究評(píng)估了不同繞組尺寸對(duì)雜散磁場(chǎng)和損耗的影響。理想情況下，繞組高度和寬度相等時(shí)，雜散磁場(chǎng)最小。實(shí)際情況下，高壓繞組的高度和寬度大于低壓繞組時(shí)，雜散磁場(chǎng)顯著增加，額外損耗增加約16.1%。使用磁分流器后，損耗顯著減少約44.2%。此外，研究還分析了三種材料（退火鋼、取向硅鋼和非晶帶材）的性能和成本。退火鋼成本較低，相對(duì)磁導(dǎo)率為2000，電阻率為0.143 µΩm。取向硅鋼（CRGO）電阻率為0.48 µΩm，非晶帶材電阻率為1.3 µΩm。通過(guò)FEM仿真，評(píng)估了不同材料的磁分流器對(duì)雜散磁場(chǎng)的吸收效果，發(fā)現(xiàn)取向硅鋼的吸收效果最好，但成本較高。圖2 雜散磁場(chǎng)吸收的比較：(a)雜散磁通密度；(b)|B|的表征
4.殼式配置對(duì)雜散磁場(chǎng)和損耗的影響殼式配置在變壓器設(shè)計(jì)中被廣泛認(rèn)為是一種有效減少磁場(chǎng)泄漏和降低額外損耗的方法。研究人員通過(guò)對(duì)比芯式和殼式變壓器的磁場(chǎng)分布和損耗，詳細(xì)評(píng)估了殼式配置的優(yōu)勢(shì)。殼式變壓器的油箱壁上的雜散磁場(chǎng)平均值約為300mT，比芯式變壓器低14%。殼式變壓器的總損耗預(yù)計(jì)減少6%到8%，盡管其油箱尺寸較大，空載損耗增加。殼式配置在減少雜散損耗方面的優(yōu)勢(shì)使其在高效變壓器設(shè)計(jì)中具有重要地位。設(shè)計(jì)者在選擇殼式配置時(shí)，需要權(quán)衡尺寸、成本和損耗的減少，以做出最佳決策。 圖3 殼式變壓器的活性部件（鐵心和繞組）以及油箱壁上的磁場(chǎng)分布
5.結(jié)論在變壓器設(shè)計(jì)和制造中減少雜散外損耗意味著在該業(yè)務(wù)領(lǐng)域具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：放置磁分流器可以使油箱的雜散損耗減少高達(dá)40%；此外，如果在設(shè)計(jì)階段力求使繞組的厚度和高度更加相等，可以避免雜散磁場(chǎng)，從而將油箱壁上的雜散損耗減少11%；通過(guò)評(píng)估不同材料的磁分流器對(duì)雜散磁場(chǎng)的吸收效果，發(fā)現(xiàn)取向硅鋼的吸收效果最好，但成本較高；使用殼式配置可以將油箱壁的雜散損耗減少高達(dá)14%。然而，還應(yīng)考慮殼式配置可能會(huì)增加油箱的尺寸，這意味著損耗可能僅減少6%到8%。
