摘要：随着经济发展和生产力发展的需要，人们对电能需求不断增加，同时国家电网规模在不断扩大，在发电过程中电力变压器是其重要设备之一，当电力变压器的容量在不断增加以后，也会随之产生一定的附加损耗，或产生局部过热等现象，对变压器运行的稳定性产生影响，进而会影响到变压器的使用寿命。本文就以三相电力变压器为例，对变压器涡流损耗进行计算。
关键词：三相电力变压器；涡流损耗；计算
在电力系统中三相电力变压器是一个重要的输电设备，通过输送电能或进行电能分配等方式，对电压进行调节，从而满足人们生产及生活中对电能的需要。随着城市化进程加快，生产与日常生活中的用电量增加，电压器容量也随之增加，在变压器内部存在严重的漏磁场，进而产生涡流损耗分布不均，变压器内部设备出现局部过热现象，严重影响到电压器的使用寿命[1]。为保证变压器设备的使用寿命，降低电能损耗，本文就以三相电力变压器为例，对变压器的涡流损耗以及漏磁场的分布规律进行简单的计算和研究。
一．变压器涡流损耗分析
（一）变压器出现漏磁场的原因分析
在变压器接通电源后会产生磁通量，其中励磁电压会产生主磁通，同时励磁电压大小对主磁通大小也起着决定性的作用，当工作电压在额定情况下，励磁所产生的主磁通密度不饱和，为让变压器在运行过程中得到良好的散热效果，在线圈和铁心之间保留油道，主磁通中部分磁通进入油隙或线圈中，在变压器能量转换中并没参与，而这些没有参与能量转换的磁通就是漏磁通。漏磁通和主磁通一样，同时存在于封闭的电回路中，属于不同相位的相量。主磁通路径是铁磁，在流通中会由铁心产生闭合磁路[2]。而漏磁通则是磁路在经过变压器绕组进入压板再回到绕组空间，闭合磁路是在绕组和铁心柱中空间闭合，部分是通过高低压绕组空道回到绕组空间后闭合，导致漏磁场出现不均匀分布的情况，产生局部过热。
（二）变压器涡流损耗分析
当绕组中出现感应电动势时，由于变压器的绕组电路是闭合电路，出现感应电流，但绕组之间各并联线路是闭合的，因此感应电流会在并联导线之间分布，或沿着绕组导线的横截面分布，导体电流分布不均情况下会受到排挤，在变压器工作中绕组电阻增加。在对变压器导线损耗计算过程中，需要将各个并联导线分支电流，导线截面分布电流的总和进行计算，分别是负载电流，循环电流以及涡流，这三个电流所共同产生的损耗就是绕组电流基本损耗[3]。除基本损耗外，变压器其他结构件，比如钢压板，油箱壁等也会受到漏磁场的影响而产生一定的损耗量，在钢结构件中由于漏磁场所出现的损耗就是涡流损耗，具体包括夹件，钢压板和油箱壁。如果变压器的磁势分布均匀，在实际运行中漏磁通会经过变压器的结构件，比如钢压板，夹件和油箱壁，最后回到绕组。在所经过的铁磁介质路径中，会产生磁滞损耗和涡流损耗。
1.绕组涡流损耗
在变压器电压不同的情况下，绕组涡流损耗不同。低压绕组各线饼的并饶方式相同，中部区域线饼会出现较大的涡流损耗，上下两端涡流损耗较小，总体上呈两边小，中间大的分布趋势，和绕组漏磁场密度分布趋势相同，随着漏磁变化，绕组涡流损耗也与之同步。高压绕组涡流损耗和低压绕组涡流损耗的分布趋势较为类似，都是呈两边小，中间大的分布趋势，且变化程度缓慢[4]。由于高压绕组和低压绕组的绕线方式一致，且绕组中导线数量相同，因此高压绕组与低压绕组的涡流损耗分布规律十分相似。
2.油箱涡流损耗
在变压器内部结构件中，由于金属材料的深入深度不同，为确保对漏磁场计算精度，需要通过多层剖分的方式来完成，通常变压器油箱的涡流损耗最大密度不超过164万W/m3，后续油箱涡流损耗值大约为15000W。油箱涡流损耗多呈漩涡状分布，油箱上下两部分的涡流损耗密度较小，而油箱侧壁涡流损耗密度较大，由于绕组对应油箱后壁区域，根据油箱的高度方向，涡流损耗会出现中间密度大，逐渐向两端减少的趋势分布，靠近绕组箱壁区损耗较大，远离绕组箱壁区损耗较小[5]。
3.夹件涡流损耗
夹件是一种禁锢铁轭装置，作为变压器内结构件之一，和撑条，拉板一起形成一个整体，作用于铁心，使变压器更加可靠，能够承载机械力。但在变压器实际运行中，也会产生夹件涡流损耗，由于夹件呈不规则形状，主要安置在绕组端部，漏磁通较为密集，从而导致涡流损耗分布不均，部分区域涡流损耗密度过大，导致局部过热，对相邻绝缘部件使用寿命产生影响。
4.拉板涡流损耗
在变压器内部拉板作为一个连接部件存在，也是一个非常重要的结构件，主要分布在绕组和铁心之间，形状不规则，所分布区域会出现较高的漏磁，分布过于集中，极易出现涡流损耗，对附近绝缘部件使用寿命产生影响，出现局部过热现象。拉板涡流损耗的密度和漏磁场分布规律十分相似，在绕组端部涡流损耗密度较大，在拉板中部和上下两端涡流损耗密度较小，由于夹件阻挡，拉板漏磁会形成一个回路，所以在拉板端部的涡流损耗较小[6]。在拉板中部由于磁力线很少会发生弯折，所以这部分的涡流损耗也较小。在大容量变压器中，为了使拉板涡流损耗密度降低，一般会采取纵向开槽的方式，拉板在经过开槽处理时被切割成若干区域，漏磁通也会被分成若干区域[7]。但由于拉板受到机械负荷，由于开槽处理会让拉板机械强度降低，因此在变压器设计时应对拉板开槽数量进行合理的计算与分析。
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图1 变压器拉板磁通密度分布云图
二．三相电力变压器涡流损耗计算
本文以三相油浸式电力变压器为例，对该变压器的涡流损耗进行计算。由于变压器的边界条件相对较为复杂，且漏磁场分布不均，在对变压器损耗计算时，对各结构件涡流损耗不能进行具体的计算，仅能采用简单的公式来估算损耗密度值，准确度较低。随着电磁场数值计算方式的不断进步和完善，目前在电磁场工程领域中使用最多的一种计算方式是有限元法。
（一）建立模型
在对三相电力变压器涡流损耗计算时，需要建立三维模型来对涡流场问题进行处理。在计算时忽略变压器高低压引线，绝缘和分接开关对计算结果所带来的微小型影响，在三维建模时为简化建模难度，将硅钢片叠成的铁心柱由实心圆柱体来代表，铁心上轭和下轭用长方体代表[8]。绕线线圈看似成一个整体，简化线圈模型，用两个长方体拼接成铁心的夹件，空间夹角垂直，对铁心上下轭硅钢片进行固定，压紧铁心柱。在油箱模型建立时通过由点到线到面的方式，由上而下将面拖拉近似看作是油箱体。
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图2变压器磁场三维仿真计算模型
（二）材料属性
采用SOLIDI117单元模型来进行变压器模型分析，对模型赋予参数，其中铁心，空气区和高低压线圈的电导率近似为0，对线圈导体，铁心中的涡流损耗不计[9]。变压器结构件均采用A3钢板材料，对导磁材料的电阻率和磁导率进行明确，通过单元边法对线性材料特性进行谐波磁场分析，在铁心磁导率计算时按照线性材料来折算，变压器钢结构件磁导率按照钢材料磁化曲线得出，根据饱和程度差异，可以将磁导率值折算呈相对磁导率，v=664.
（三）网格剖分
在有限元模型计算中，工作量大，因此网格剖分的方式可以提高计算精度，网格数量越多，计算精度会越高。根据三相电子变压器模型的特点，通过四面体网格在不同材料交界处进行划分，使之与交界面重合[10]。在网格划分时一般会采用自由网格划分和映射网格划分，但自由网格划分通常适用于多种形状模型，映射网格划分方法的适用性相对较少，一般只在四面体或六面体网格划分。在电子变压器中内部结构模型相对较为复杂，因此一般会采用自由网格划分，对变压器钢结构的网格进行加密划分，从而有效控制好结构件的单元计算精度。
（四）求解
在场分析时，求解区域应为闭合区域，对该区域下不同煤质的边界条件进行加载，在高低压线圈中，根据大小相等，方向相反的原则确定安匝数，使主磁通合成磁势为0，高压电流密度为270A/cm2，低压电流密度为-340A/cm2，在电流密度加载过程中，对局部坐标系进行定义，根据线圈圆柱部分单元特性施加电流密度。
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图3低压侧 YZ方向线圈主空道磁通密度分布云图
（五）计算结果分析
通过ANSYS软件分析三相电力变压器磁通密度分布，其中在铁心柱和上下铁轭交接处漏磁为0.35T，电流相位互差110度，因此不同铁心柱磁通密度不同。夹件漏磁通分布于夹件两端尖角处，漏磁大小为0.05T，最大漏磁通密度方向为Z，涡流损耗值为16kw。压板漏磁通分布于各压板圆环内径，靠近铁心柱，漏磁大小为0.9T，涡流损耗值为30KW。油箱漏磁通分布于油箱底角，漏磁大小为0.4T，涡流损耗值为13KW。上述涡流损耗值均为变压器允许范围内，其中压板涡流损耗最大，在变压器线圈可安装磁屏蔽设备，提高磁导率，将压板漏磁通进入磁屏蔽中，降低压板涡流损耗[11]。
在三相电力变压器中，无磁屏蔽结构，在计算时损耗系数一般为0.5，变压器的额定容量为17000KVA，阻抗电压系数为7%，对变压器结构件中各钢结构损耗比值按照1:2:1的比例进行计算。如计算结果的数值较大，说明在变压器设计时对涡流损耗估值较大，为确保其计算精度，可以通过有限元法进行计算，确保变压器设计的经适性。
结语：
综上所述，通过有限元法对三相电力变压器的涡流损耗值大小进行计算并分析，包括油箱、夹件和拉板各结构件的涡流损耗值，通过安置磁屏蔽设备可以降低变压器中各结构件涡流损耗值的大小。
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