变压器漏磁场的分析

变压器31磁场的分丰斤徐勇周腊吾朱其法弋到忠邵31.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.沈阳变压器研究所，辽宁沈阳0179；3.岳8日电业局，湖南岳阳4140001引言变压器的电磁设计与变压器的漏磁场密切相关。，变压器的容量越大，漏磁场就越强，从而使稳态漏磁场引起的各种附加损耗增加，如设计不当它将造成变压器的局部过热，使变压器的热性能变坏，终导致绝缘材料的热老化与击穿。在电力系统发生短路时，暂态短路电流产生的漏磁场还可能产生巨大的机械力，对其绝缘和机械结构造成致命的威胁。

为了缓解漏磁场在上述两方面的影响，必须对稳态电流与暂态电流产生的漏磁场进行全面的分析，笔者在这方面做了些基础性工作。

2漏磁场的类型变压器的运行状态分为稳态和暂态两种，稳态运行指正常的对称运行和不对称运行，而暂态运行则是指变压器空载合闸时产生的涌流或变压器突然短路时的暂态短路电流。与之对应的漏磁场也分为稳态漏磁场和暂态漏磁场。以双绕组变压器为例，在稳态运行方式下，其磁势方程为即，+№1合成磁势，叫做磁化磁势，也叫做稳态励磁磁势，它建立起与两个绕组都完全交链，并在铁心中形成回路的主磁通。

因为厂=72由上述分析可知，变压器的稳态磁场可以看做两个部分部分由励磁磁势尸，=，建立，称为稳态主磁场，另部分由其和等于零的稳态负载电流和次电流负载分量的磁势1+，2=，所建立，称其为稳态漏磁场。

稳态主磁场和稳态漏磁场在性质上有着明显的不同，其不同是1由于铁磁材料有饱和现象，所以主磁通的磁阻不是常数，主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系，其值大小与外施电压成正比，而漏磁通的磁路大部分由非铁磁材料组成，所以漏磁通性关系；2主磁通在次绕组中均感应电动势，当次侧接上负载时便有电功率向负载输出，故主磁通起传递能量的媒介作用。而漏磁通仅在绕组中感应涡流与并联导线的循环电流，其不能传递能量，仅起压降作用。稳态漏磁场的大小及分布规律决定着变压器绕组的漏抗附加损耗以及变压器金属结构件里的损耗。

变压器在稳态运行时，无论是外加电压或负载电流都不发生突然的急剧变化，因而漏磁场的幅值也基本保持稳定，约为主磁通与短路阻抗标么值乘积。显然从平均意义上来说，漏磁场不大，但不排除由于漏磁场分布不均匀导致的局部过热。

变压器在实际运行过程中，有时会受到外界因素的急剧干扰，例如负载突然变化，空载合闸和次侧突然短路等，破坏了原有的稳定状态，其电压电流和磁通都要经历个急剧的变化过程才能达到新在暂态方式下，漏磁场的变化情况。

设电网容量无穷大，短路电流不致引起电网电压下降，则突然短路时次侧电路的微分方程为L，Ms短路电感和电阻解此常系数微分方程可得短路电流的通解为短路电流的大小，与短路时，的初相角有关当=，时，短路电流达到大值，达式为对大型变压器，尺=1.7，1.8对小型变压器，尺=1.21.316.67倍，由式5所知，在暂态过程中15为非正弦电流，故不能用式2来描述变压器内部的磁势关系。，由所产生的漏磁场称为暂态漏磁场。根据漏磁场与电流的关系可知，暂态漏磁场的大值与稳态漏磁场之比也约为6.67，3漏磁场产生的效应3.1损耗效应变压器各绕组的导体处于漏磁场中，将产生涡流，由于涡流的存在，就使得电流密度沿导线横截面在导线截面里分布不均匀，使得绕组实际电阻比通过葭流时的电阻欧姆电阻大为增加。由涡流引起何尺才和漏磁场的大小与分布，垂直于漏磁场方向压器的金属结构附件中引发杂散损耗。涡流损耗环流损耗和杂散损耗统称为变压器的附加损耗。

3.2热效应变压器运行时，绕组铁心以及其它结构件中产生的损耗几乎全部转化为热能。试验明油浸式绕组热点年平均温度若不大于98丈，变压器的运行年限可为20，25年，绕组热点的温度般比平均温度高13，所以，绕组在额定负载下的年平均温度定为85，由于变压器油在温度高于98丈后，性能，著恶化，所以规定油顶层温升不得超过55反。油浸式变压器温升现值如1.

变压器部分温升限值K绕组点然油循环强迫汕循环铁心固与变玉器油接触非导电部分的结构件面变压器在连续满载运行条件下，如果发生短路，稳定短路电流将会很大，绕组发热量急剧增加，绕组温度也相应增高。由于短路允许持续时间很短，要小于28，绕组的热时间常数远小于变压器油的热时间常数，故可将绕组暂态过热过程视为绝热过程。如果短路后，绕组温度超过外包绝缘耐热等级所允许的高温度，变压器将受到损伤。

欲使变压器在实际运行时，各点温升不超过国标所限，基本的条件是使变压器的散热值大于产热值，否则，变压器的温度将持续升高，温升大于标准限值，绝缘材料会提前热老化而损坏。

3.3机械力效应变压器的绕组处在漏磁场中，绕组中的电流与漏磁场相互作用，在绕组导线上产生电磁力。绕组的受力情况当变压器绕组的电流大时，需要采用多根并联受到的径向力方向相反，外层绕组受张力，内层绕组导线。在连续式纠结式和螺旋式等绕组中，导线的排列方向垂直于轴向漏磁场方向，如不采取特殊措施，则由于各并联导线处于不同大小将使绕组的各绝缘导体间出现环流，绕组的负载损耗将超过欧姆损耗，其增加部分称为环流损耗。为了改善各并联导线间的电流分布，通常采取换位措施，即在绕组的绕制过程中将各导线相互位移除了产生上述两种损耗外，漏磁场还在变；场分布同心绕组的受力情况受压力。同理尽，与电流的作用产生轴向力，其作用方向为从绕组两端挤压绕组。

可利用毕奥萨伐尔定律对变压器绕组上所承受的电磁力进行定量分析，假设作用在处于漏磁场中的电流单元上的电磁力咖=衫咖，则作用在绕组或部分绕组的力=1人。只要漏磁场的5值较准确，就可以计算出作用在单独线匝或线段部分绕组或整个绕组上的电磁力。

在稳态运行时，由于稳态漏磁场及稳态电流都不大，电磁力也不大，而在变压器突然短路时，暂态漏磁通密度将随着短路电流的大小成比例增长，绕组上所受到的电磁力也将随着电流的平方成比例增长因变压器短路时的电流大值为额定电流值的16.67倍，则其绕组受到的电磁力可达额定运行时电磁力的几百倍，这样大的电磁力极有可能把绕组损坏另外。若电力系统保护功能失效，短路电流将持续定时间，但不能超过28，热效应也应该考虑。

4漏磁场的分析稳态漏磁场属维场4，而暂态漏磁场由于其励磁源短路电流是个随时间而变化的函数，故应采用4维场，来描述。

由于受数学分析方法的限制，早期研究漏磁场模时均假设漏磁场在轴向是对称的，以便将维场简化为维场，同时认为漏磁感应呈梯形规律分布。

由于变压器绕组中漏磁场分布较复杂，计算绕组涡流损耗分困难，用两维涡流场解析或其改进式计算，误差较大。为克服解析法的不足，从20世纪70年代起，人们就将数值方法引人漏磁场的研究领域，使变玉器的设计或计算得到了改进。

1973年泌如首先将有限元法用于变压器取得了较好的效果。但是为了简化计算，将绕组周围的磁场分布假设为轴对称的，用计算单柱的轴对称漏磁场来代替对相变压器整体漏磁场的计算。

此外，在求解漏磁场时，都是从恒定场的微分方程出发，没有考虑涡流的影响汁算方法，在计及油箱压板夹件等结构部件中涡流的条件下，用有限元法计算短路情况下变压器的维时变电磁场，计算中，以矢量磁位作为场方程量的工作4.文献5用等效电流法求解了维静态漏磁场，文献6采用双分量积分方程法，忽略非线性主磁场与涡流的相互作用，分析了油箱涡流损耗维涡流场的分析仍然是目前受重视的问杂性，而且计算工作量也大大增加。由于计算机性能问得到了定程度的解决7.电磁器件的多物理场耦合现象，以前由于受有限元发展的限制，很少进行耦合分析，近年来有限元软件的成熟使得这方面尽管数值分析方法还不尽如人意，还有众多需完善的地方，但不可否认的是，它是今后分析变压器漏磁场的主流方法。

5结论漏磁场的大小及分布规律决定着绕组的感抗附加损耗及金属结构件中的损耗，它还决定着作用在绕组上的作用力及变压器的温升。

传统的分析方法均假设漏磁场的感应分布与绕组磁势分布相似，多用维涡流场简化所得的近似公式计算，这与实际情况有较大出入，不应提倡。

数值方法的引人，改进了变压器的设计或计算，并使其优化设计成为可能。进步完善数学模型及计算方法是今后发展的方向。

随着电网的增大，运行方式日益复杂。暂态运行方式在变压器中出现的机率大大增加，为了适应此变化，开展对暂态漏磁场的研究是颇有必要的。

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电整流为直流电，经平波电抗器以下简称电抗器滤波，由单相无源桥式逆变电路转变为电压750频率为1000，左右的中频电，供给负载。中频电源电路1.经相全控桥式整流后的电流中仍存在3001的脉动谐波成分。该谐波成分对逆变工作；周腊吾1965，男，湖南浏阳人，湖南大学电气与信息工程学院副教授，在职博士生，现从事电力电子技术在电力系统中的应用现代交流调速技术方面的教学和科研工作；朱英浩1929，男，浙江宁波人，中国工程院院士，沈阳变压器研究所总工程师，多年从事变压器类产品研究工作；刘忠邵1967，男，湖南省邵阳市人，岳阳电业局计量管理所副主任，主要从事电能测量工作。