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。

图1 变压器温升测试平台

研究人员得到以下结论：

1）考虑大容量干式变压器漏磁场影响下的绕组和结构件涡流效应更加符合变压器实际运行状态下的损耗计算和热源分布。

2）变压器低压箔式绕组高温区域位于最外层中上端，最高温度达121℃，高压饼式绕组最热点区域位于外层第一个绕包线中间两列，最热温度可高达150℃，与表面存在5℃左右的温度差。

3）变压器上、下结构件和拉板在漏磁场影响下，表面产生涡流效应，同时在绕组高温辐射下，产生局部过热，最高温升相比于环境温度高达42K。

4）考虑材料温度效应的多物理场耦合方法，克服了传统磁路法损耗计算不准确的问题，能够更好地研究变压器内部热点分布。

以上研究成果发表在2020年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于磁-热-流耦合模型的变压器损耗计算和热点预测”，作者为李永建、闫鑫笑 等。