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在變壓器鐵心裝疊過程中，通常在硅鋼疊片上設(shè)置工藝孔。基于自動(dòng)化裝備的工藝孔疊片可提高疊制效率，但會(huì)增加鐵心損耗并影響變壓器運(yùn)行性能。對(duì)于工藝孔式的疊片方法，其廣泛適用于容量5000kV·A以內(nèi)的變壓器中，為滿足鐵心裝疊要求，需在鐵心柱及鐵軛處均勻設(shè)置工藝孔。

研究表明，工藝孔所引起的損耗增量正比于孔數(shù)，一臺(tái)設(shè)置雙孔的SJL3 320/10變壓器，其損耗可增加5.8%。因此，準(zhǔn)確計(jì)算鐵心工藝孔所引起的損耗變化對(duì)分析變壓器運(yùn)行性能至關(guān)重要。

而鐵心損耗的準(zhǔn)確計(jì)算是變壓器設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，尤其當(dāng)鐵心設(shè)置工藝孔后。由于冷軋硅鋼的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于空氣，當(dāng)磁通經(jīng)過工藝孔附近時(shí)，會(huì)沿磁阻最小的路徑流動(dòng)，即原本均勻分布的磁通流線會(huì)在工藝孔周圍發(fā)生繞行，造成工藝孔邊緣順向磁通密度增加，此時(shí)，磁力線發(fā)生彎曲，在硅鋼疊片的垂直軋制方向上產(chǎn)生橫向磁通分量，使得工藝孔鐵心的損耗分析計(jì)算變得更加困難。

現(xiàn)有的鐵心損耗計(jì)算方法大致可歸為三類：基于鐵心磁化物理現(xiàn)象的磁滯模型法、基于鐵損可分離假設(shè)的損耗分離法以及Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式法。用于鐵心損耗計(jì)算的Preisach和Jiles- Atherton模型具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和理論基礎(chǔ)，但模型識(shí)別參數(shù)較多，且與有限元結(jié)合過程復(fù)雜，難以在工程實(shí)踐中應(yīng)用。

損耗分離法基于疇壁運(yùn)動(dòng)機(jī)理將損耗分離成多個(gè)部分，相較于磁滯模型法，損耗分離法簡(jiǎn)化了鐵損的分析過程，但仍涉及較多辨識(shí)參數(shù)，因此較少在工程中使用。而Steinmetz損耗公式利用頻率與磁通密度計(jì)算損耗密度，其公式簡(jiǎn)單，涉及參數(shù)較少，被廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已采用多種方法分析工藝孔影響。較早的研究給出了鐵損基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)定性關(guān)系。隨后有研究基于有限元仿真分析了圓形工藝孔尺寸對(duì)損耗的定性影響。近年來，大量研究關(guān)注工藝孔尺寸、形狀、位置以及切割方法對(duì)孔周圍局部磁通與磁疇結(jié)構(gòu)的損傷影響。

而目前，對(duì)于不同形狀、尺寸的工藝孔造成的鐵心損耗增長(zhǎng)，并沒有一套準(zhǔn)確的理論計(jì)算方法，且不同形狀和尺寸的工藝孔對(duì)鐵心性能的影響也有待研究。綜合考慮形狀與尺寸參數(shù)對(duì)工藝孔鐵心損耗的影響，可為工程實(shí)踐中變壓器鐵心的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 設(shè)置工藝孔后的磁通流線示意圖

為了研究工藝孔對(duì)變壓器鐵心損耗及其性能的影響，省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)）、河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員竇潤(rùn)田、李永建等，在2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，對(duì)硅鋼材料的雙向交變磁特性與損耗特性進(jìn)行測(cè)量與分析，結(jié)合Steinmetz損耗計(jì)算公式對(duì)帶工藝孔的鐵心模型進(jìn)行二維磁場(chǎng)解析計(jì)算，提出由不同形狀、尺寸工藝孔造成鐵心損耗增長(zhǎng)的理論計(jì)算方法。

圖2 二維磁特性測(cè)試系統(tǒng)

他們基于有限元法對(duì)變壓器鐵心常用的取向硅鋼片進(jìn)行二維瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真計(jì)算，對(duì)比分析了不同類型工藝孔對(duì)變壓器鐵心損耗的影響。構(gòu)建帶工藝孔的硅鋼樣片損耗測(cè)試平臺(tái)，定量測(cè)試鐵心材料由工藝孔造成的損耗以及局部溫升，驗(yàn)證理論計(jì)算方法的有效性與準(zhǔn)確性。

圖3 愛潑斯坦方圈測(cè)試系統(tǒng)

研究人員指出，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的變壓器工藝孔鐵心損耗增長(zhǎng)的計(jì)算方法具有較高的計(jì)算精度和工程適用性，可為帶工藝孔鐵心的損耗計(jì)算提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“受工藝孔影響的變壓器鐵心損耗計(jì)算與分析”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目和河北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目的支持。