交直流混合激励下，变压器结构件杂散损耗的改进方法
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华北电力大学电力工程系、河北省输变电装备电磁与结构性能重点实验室（筹）、新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员赵小军、曹越芝、刘兰荣、王佳雯、程志光，在2021年第1期《电工技术学报》上撰文，基于TEAM-P21c基准模型深入研究交直流混合激励下变压器中叠片式磁构件杂散损耗的数值模拟及实验验证方法。考虑空载、负载条件下线圈损耗的差异，提出一种基于实验确定结构件杂散损耗的改进方法。
随着我国高压直流输电系统（HVDC）的迅速发展和广泛应用，换流变压器作为系统中的关键电气设备，其损耗分布是设计过程中备受关注的问题之一。而换流变压器需经常工作在交直流混合激励下，加剧了漏磁场和杂散损耗分布的不合理性，设备局部过热和运行故障的风险也随之增加，因此磁构件损耗问题的研究面临着更严峻的挑战。
研究交直流混合激励条件下变压器磁构件中磁场及损耗分布情况，可在变压器的设计过程中采取有效措施以降低杂散损耗，对电网的安全稳定运行、产品设计和结构优化具有重要的理论价值。
为研究变压器结构件损耗模拟及局部过热问题，程志光博士提出了TEAM Problem 21基准族模型。基于这些基准模型，相关学者对三维涡流和杂散场损耗进行了大量的研究工作。程志光等学者研究了磁性能和电源频率的变化对硅钢片内部杂散损耗的影响。C. Ragusa等学者研究了无取向硅钢片在偏磁激励下的损耗。H. Hauser提出利用磁滞模型的方法计算杂散损耗。朱占新等学者提出了用解析解和数值解相结合的方法计算电力变压器漏磁场和漏磁场损耗，计算分析了谐波激励下结构件的杂散损耗。
郑伟英等学者提出了一种子空间校正方法，有效地解决了硅钢叠片三维非线性涡流问题。刘亚青等学者计算和分析了谐波磁化作用下绕组中的涡流损耗和结构件中的杂散场损耗。赵志刚等学者指出交直流混合激励下可用直流磁化曲线描述材料的磁性能，提出基于改进后的损耗计算三项式模型，通过瞬态场仿真求解激励线圈损耗，利用实验测量的模型总损耗减去相同工况下的线圈损耗仿真计算值，得到间接确定的电磁装备结构件中杂散损耗。
上述研究中，仍有一些关键问题亟待进一步解决：①目前杂散损耗问题的研究多数为正弦激励条件，交直流混合激励下材料损耗数据测量难度增大而该方面研究却相对较少；②以往的研究未考虑空载状态和负载状态下线圈损耗的差异，给磁构件杂散损耗的确定带来一定误差；③交直流激励的改变对材料磁特性以及对应杂散损耗和附加损耗的影响规律有待深入研究。
在考虑激励线圈在负载和空载两种不同条件下损耗变化的前提下，华北电力大学的研究人员改进了磁构件损耗的实验测定方法，提出了一种有效、实用的交直流混合激励下损耗计算模型；基于TEAM-P21c基准模型，建立了三维交直流混合激励条件下硅钢叠片内部杂散损耗的实验平台，通过分别对比空间漏磁场与杂散损耗结果的计算值与测量值，验证了该方法的有效性。
图1 BROCKHAUS磁性能测量系统
研究人员通过分别改变交、直流分量研究二者对叠片式磁构件杂散损耗的影响；计算和分析了硅钢叠片作为磁构件时，叠片内附加损耗的分布及其对杂散损耗的影响。最后，得出如下结论：
图2 实验平台
1）根据直流条件下铁损的特征，提出考虑偏置场影响的铁损分离模型，并将其应用于偏磁下三维杂散损耗的数值模拟及分析。
2）考虑空、负载下漏磁场不同对磁构件杂散损耗计算的影响，提出一种基于实验测量确定叠片式磁构件中的杂散损耗的改进方法，并通过精细化建模和媒质参数等效处理进行数值仿真，有效地提高了大型电力变压器的杂散损耗评估的准确性。
3）交直流混合激励下，随着交流激励增大，磁构件的杂散损耗明显增加；当交流激励不变时，增大直流激励将引起磁构件内杂散损耗的增大。
4）垂直进入叠片的漏磁通引起的附加损耗占杂散损耗比例较大，且主要分布在靠近激励线圈的两块硅钢叠片中，随着从激励线圈到叠片的距离迅速减小；交流激励不变时，直流激励的增大将导致附加损耗的增大。