省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室（河北工业大学）、天津市特变电工变压器有限公司的研究人员李永建、闫鑫笑、张长庚、陈怡帆、盈文亮，在2020年第21期《电工技术学报》上撰文，基于有限元法对一台2500kV·A干式变压器进行额定负载条件下的三维瞬态电磁场模拟仿真，计算中考虑了漏磁场对箔式绕组和结构件涡流分布的影响。将电磁损耗计算结果按照网格逐单元耦合至温度场，并以此为热源建立磁-热-流多物理场映射关系，考虑温度对材料损耗特性的影响，精确模拟变压器对流换热过程并实现变压器结构件温升计算和绕组热点预测。开展变压器温升试验，结果表明模型预测值与试验值误差控制在±6%，温升分布规律与实际吻合得较好。该文采用的多物理场双向耦合分析方法克服了传统磁路法损耗计算不准确的问题，在变压器产品研发初期可提供损耗预测方法和计算数据，显著提高相关电工装备的运行效率。干式变压器体积小、质量轻，具有抗短路能力和良好的电气性能，在工程中得到了广泛应用。干式变压器绕组一般由环氧树脂整体浇注而成，导热性能比较差，绕组内部的产热和散热情况不均衡，加之负载过大、运行时间长等因素，致使热点问题突出。变压器温升过高不仅会加速绝缘老化，诱发绕组匝间短路造成电击穿等事故，长期过热运行还会造成结构件烧损或者机械变形损伤。精准预估大功率变压器在漏磁影响下的绕组和结构件损耗，模拟运行工况下的变压器温升特性，对于提升变压器磁热设计并降低局部过热危害具有重要的意义。由于箔式绕组具有特殊的薄片结构，在漏磁场影响下，绕组表面电流密度分布极不均匀，端部具有明显的趋肤效应，损耗的总量增加和不均匀分布一直是工程难点问题。随着三维有限元分析方法（Finite Element Method, FEM）的引入与计算机数值计算的快速发展，基于A-V-A和T-ψ等涡流场有限元法逐步在工程上得到采用，以解决导体区域的非线性和电导率各向异性的涡流损耗计算问题。对于变压器的温度场计算，工程上一般采用GB/T 1094.7—2008和IEEE Standard C57.91—2011标准中的经验公式，根据变压器容量和散热方式给定不同的温度系数来计算变压器瞬态热点温升，操作快速简单但是计算精度较低，且未考虑变压器结构对温度分布的影响。基于热点类比理论的热路模型更加符合变压器实际的传热过程，通过计算热容、热阻等参数，将变压器结构等效为热路计算模型，适用于热点温度的精确计算，但是参数的选取基于大量的实验结果，建模过程复杂，工作量大。针对变压器内部的热点分布，国内外学者系统地研究了数值模拟算法。为了提高有限元法在求解温度场流-固耦合问题的效率，在求解流体问题时多采用有限体积法，该方法也是目前变压器温升分布和计算的研究热点。河北工业大学等单位的研究人员建立了考虑变压器绕组层间气道结构的三维电磁场和温度场计算模型，基于三维瞬态场有限元仿真得到了漏磁通影响下绕组和结构件上的非均匀损耗分布。建立了磁-热-流耦合模型，将磁场节点损耗密度映射至三维流体场中，考虑磁性材料的温度效应，对变压器进行温度场仿真计算，同时通过热电偶多路温度测试仪对变压器进行温升测试实验，验证仿真模型的合理性与准确性。
