在變壓器的設計和制造過程中，雜散損耗是一個不可忽視的問題。這些損耗主要發生在變壓器的油箱、鐵心夾件等結構部件中，有時會超過負載損耗的20%。這是由于部分雜散磁場在變壓器的結構部件及其相關油箱內壁從而產生了雜散損耗。隨著變壓器功率的增加，這種雜散磁場會導致相當大的損耗，從而產生加熱效應。雜散磁場指的是擴散到達油箱和鐵心夾件的磁場。變壓器的設計和制造通常涉及到繞組的高度和厚度的變化。然而，這種幾何不對稱性對變壓器雜散損耗的大小產生了重大影響。為此墨西哥瓜納華托大學Ivan A等研究人員研究探討了不對稱線圈對鐵心夾和變壓器內壁雜散損耗產生的影響，并引入了一個模型來確定與線圈在特定距離處的色散磁場值。該分析擴展到利用有限元電磁模擬來表征到達罐壁的擴散磁場，探索了減少雜散損失的策略，包括放置磁性分流器作為儲罐壁的保護屏障，深入研究了采用變壓器殼型結構來減輕磁色散場的有效性。
1.變壓器擴散損耗的建模分析為了有效控制雜散損耗，研究人員建立了一個詳細的幾何模型，對柱式變壓器的雜散損耗進行了深入分析。該模型涵蓋了變壓器的所有結構部件及其定位。在模型中，鐵心被簡化為一個實心件，沒有考慮層壓，因為研究的主要焦點是分析和計算磁分流器和油箱中的損耗。模型還包括了油箱壁的詳細分離，以便更詳細地分析每個壁中的雜散磁通量。此外，模型還考慮了初級和次級繞組的高度和厚度，以及磁分流器的高度。
在建模額外損耗時，研究人員沒有區分磁滯、渦流和額外損耗。他們將油箱的六個壁隔離出來，將它們視為單獨的低碳鋼板，以便更詳細地分析雜散損耗。通過使用有限元方法（FEM）進行電磁仿真，研究人員得出了|Bd|的值，即雜散磁通密度。對于計算軟磁材料層壓中的損耗分量，研究人員采用了鐵心損耗和勵磁電流模型，通過Steinmetz方程、渦流損耗和額外損耗的方法進行計算。這些方法增強了評估變壓器油箱壁中磁滯、渦流和額外損耗各自貢獻的精確度。為了分析雜散磁通φd及其密度Bd以及油箱和結構部件中的額外損耗，研究人員使用了有限元方法（FEM）。該方法需要計算由渦流（Pe）引起的感應損耗，不包括磁滯。研究人員使用了基于在頻域中求解磁矢勢A的模型。該模型的表達式包括了考慮材料電阻率和感應電流密度矢量的方程。通過求解這些方程，研究人員能夠詳細分析油箱壁和磁分流器中的損耗。通過建立詳細的幾何模型和采用有限元方法，研究人員能夠準確地分析和計算變壓器中的雜散損耗。這些模型和方法不僅提高了對雜散損耗的理解，還為變壓器的設計和優化提供了重要的工具。通過這些研究，可以更有效地控制變壓器中的額外損耗，提高變壓器的效率和性能。
2.變壓器雜散磁場的建模評估研究人員通過有限元方法（FEM）和COMSOL Multiphysics軟件，對油箱壁上的雜散磁通密度|Bd|進行了詳細評估。研究發現，無磁分流器時，右壁（Rw）中心的|Bd|最大值可達0.9T，而前壁（Fw）和后壁（Bw）的|Bd|值約為0.4T。通過放置磁分流器，右壁的|Bd|值可降低至0.4T，整體均方根（rms）值從0.68T降低到0.4T，降低了41.1%。其次，研究分析了繞組不對稱對雜散磁場的影響。理想情況下，當兩個繞組的高度和厚度相等時，磁場強度|H|呈現等腰梯形分布。然而，實際設計中，繞組的高度和厚度可能不同，導致|H|呈現不等邊梯形分布。研究評估了不同繞組不對稱情況下的雜散磁場，發現高壓繞組的高度和寬度大于低壓繞組時，雜散磁場顯著增加，導致額外損耗增加約16.1%。最后，提出了一種模型來估算磁場強度|H|和到達油箱壁的雜散磁場密度|Bd|，通過以下公式計算：
3.設計參數和損耗值的評估研究人員通過有限元方法（FEM）和提出的模型，對25MVA電力變壓器的雜散損耗進行了評估。研究發現，無磁分流器時，油箱壁的總額外損耗為32.23kW，軛梁的損耗為1.84kW，總額外損耗為34.0kW。使用磁分流器后，總額外損耗降低到19.70kW，提出的模型結果為19.0kW，減少了約42%。其次，研究評估了不同繞組尺寸對雜散磁場和損耗的影響。理想情況下，繞組高度和寬度相等時，雜散磁場最小。實際情況下，高壓繞組的高度和寬度大于低壓繞組時，雜散磁場顯著增加，額外損耗增加約16.1%。使用磁分流器后，損耗顯著減少約44.2%。此外，研究還分析了三種材料（退火鋼、取向硅鋼和非晶帶材）的性能和成本。退火鋼成本較低，相對磁導率為2000，電阻率為0.143 µΩm。取向硅鋼（CRGO）電阻率為0.48 µΩm，非晶帶材電阻率為1.3 µΩm。通過FEM仿真，評估了不同材料的磁分流器對雜散磁場的吸收效果，發現取向硅鋼的吸收效果最好，但成本較高。圖2 雜散磁場吸收的比較：(a)雜散磁通密度；(b)|B|的表征
4.殼式配置對雜散磁場和損耗的影響殼式配置在變壓器設計中被廣泛認為是一種有效減少磁場泄漏和降低額外損耗的方法。研究人員通過對比芯式和殼式變壓器的磁場分布和損耗，詳細評估了殼式配置的優勢。殼式變壓器的油箱壁上的雜散磁場平均值約為300mT，比芯式變壓器低14%。殼式變壓器的總損耗預計減少6%到8%，盡管其油箱尺寸較大，空載損耗增加。殼式配置在減少雜散損耗方面的優勢使其在高效變壓器設計中具有重要地位。設計者在選擇殼式配置時，需要權衡尺寸、成本和損耗的減少，以做出最佳決策。 圖3 殼式變壓器的活性部件（鐵心和繞組）以及油箱壁上的磁場分布
5.結論在變壓器設計和制造中減少雜散外損耗意味著在該業務領域具有競爭優勢。通過研究發現：放置磁分流器可以使油箱的雜散損耗減少高達40%；此外，如果在設計階段力求使繞組的厚度和高度更加相等，可以避免雜散磁場，從而將油箱壁上的雜散損耗減少11%；通過評估不同材料的磁分流器對雜散磁場的吸收效果，發現取向硅鋼的吸收效果最好，但成本較高；使用殼式配置可以將油箱壁的雜散損耗減少高達14%。然而，還應考慮殼式配置可能會增加油箱的尺寸，這意味著損耗可能僅減少6%到8%。
1.變壓器擴散損耗的建模分析為了有效控制雜散損耗，研究人員建立了一個詳細的幾何模型，對柱式變壓器的雜散損耗進行了深入分析。該模型涵蓋了變壓器的所有結構部件及其定位。在模型中，鐵心被簡化為一個實心件，沒有考慮層壓，因為研究的主要焦點是分析和計算磁分流器和油箱中的損耗。模型還包括了油箱壁的詳細分離，以便更詳細地分析每個壁中的雜散磁通量。此外，模型還考慮了初級和次級繞組的高度和厚度，以及磁分流器的高度。
在建模額外損耗時，研究人員沒有區分磁滯、渦流和額外損耗。他們將油箱的六個壁隔離出來，將它們視為單獨的低碳鋼板，以便更詳細地分析雜散損耗。通過使用有限元方法（FEM）進行電磁仿真，研究人員得出了|Bd|的值，即雜散磁通密度。對于計算軟磁材料層壓中的損耗分量，研究人員采用了鐵心損耗和勵磁電流模型，通過Steinmetz方程、渦流損耗和額外損耗的方法進行計算。這些方法增強了評估變壓器油箱壁中磁滯、渦流和額外損耗各自貢獻的精確度。為了分析雜散磁通φd及其密度Bd以及油箱和結構部件中的額外損耗，研究人員使用了有限元方法（FEM）。該方法需要計算由渦流（Pe）引起的感應損耗，不包括磁滯。研究人員使用了基于在頻域中求解磁矢勢A的模型。該模型的表達式包括了考慮材料電阻率和感應電流密度矢量的方程。通過求解這些方程，研究人員能夠詳細分析油箱壁和磁分流器中的損耗。通過建立詳細的幾何模型和采用有限元方法，研究人員能夠準確地分析和計算變壓器中的雜散損耗。這些模型和方法不僅提高了對雜散損耗的理解，還為變壓器的設計和優化提供了重要的工具。通過這些研究，可以更有效地控制變壓器中的額外損耗，提高變壓器的效率和性能。
2.變壓器雜散磁場的建模評估研究人員通過有限元方法（FEM）和COMSOL Multiphysics軟件，對油箱壁上的雜散磁通密度|Bd|進行了詳細評估。研究發現，無磁分流器時，右壁（Rw）中心的|Bd|最大值可達0.9T，而前壁（Fw）和后壁（Bw）的|Bd|值約為0.4T。通過放置磁分流器，右壁的|Bd|值可降低至0.4T，整體均方根（rms）值從0.68T降低到0.4T，降低了41.1%。其次，研究分析了繞組不對稱對雜散磁場的影響。理想情況下，當兩個繞組的高度和厚度相等時，磁場強度|H|呈現等腰梯形分布。然而，實際設計中，繞組的高度和厚度可能不同，導致|H|呈現不等邊梯形分布。研究評估了不同繞組不對稱情況下的雜散磁場，發現高壓繞組的高度和寬度大于低壓繞組時，雜散磁場顯著增加，導致額外損耗增加約16.1%。最后，提出了一種模型來估算磁場強度|H|和到達油箱壁的雜散磁場密度|Bd|，通過以下公式計算：
3.設計參數和損耗值的評估研究人員通過有限元方法（FEM）和提出的模型，對25MVA電力變壓器的雜散損耗進行了評估。研究發現，無磁分流器時，油箱壁的總額外損耗為32.23kW，軛梁的損耗為1.84kW，總額外損耗為34.0kW。使用磁分流器后，總額外損耗降低到19.70kW，提出的模型結果為19.0kW，減少了約42%。其次，研究評估了不同繞組尺寸對雜散磁場和損耗的影響。理想情況下，繞組高度和寬度相等時，雜散磁場最小。實際情況下，高壓繞組的高度和寬度大于低壓繞組時，雜散磁場顯著增加，額外損耗增加約16.1%。使用磁分流器后，損耗顯著減少約44.2%。此外，研究還分析了三種材料（退火鋼、取向硅鋼和非晶帶材）的性能和成本。退火鋼成本較低，相對磁導率為2000，電阻率為0.143 µΩm。取向硅鋼（CRGO）電阻率為0.48 µΩm，非晶帶材電阻率為1.3 µΩm。通過FEM仿真，評估了不同材料的磁分流器對雜散磁場的吸收效果，發現取向硅鋼的吸收效果最好，但成本較高。圖2 雜散磁場吸收的比較：(a)雜散磁通密度；(b)|B|的表征
4.殼式配置對雜散磁場和損耗的影響殼式配置在變壓器設計中被廣泛認為是一種有效減少磁場泄漏和降低額外損耗的方法。研究人員通過對比芯式和殼式變壓器的磁場分布和損耗，詳細評估了殼式配置的優勢。殼式變壓器的油箱壁上的雜散磁場平均值約為300mT，比芯式變壓器低14%。殼式變壓器的總損耗預計減少6%到8%，盡管其油箱尺寸較大，空載損耗增加。殼式配置在減少雜散損耗方面的優勢使其在高效變壓器設計中具有重要地位。設計者在選擇殼式配置時，需要權衡尺寸、成本和損耗的減少，以做出最佳決策。 圖3 殼式變壓器的活性部件（鐵心和繞組）以及油箱壁上的磁場分布
5.結論在變壓器設計和制造中減少雜散外損耗意味著在該業務領域具有競爭優勢。通過研究發現：放置磁分流器可以使油箱的雜散損耗減少高達40%；此外，如果在設計階段力求使繞組的厚度和高度更加相等，可以避免雜散磁場，從而將油箱壁上的雜散損耗減少11%；通過評估不同材料的磁分流器對雜散磁場的吸收效果，發現取向硅鋼的吸收效果最好，但成本較高；使用殼式配置可以將油箱壁的雜散損耗減少高達14%。然而，還應考慮殼式配置可能會增加油箱的尺寸，這意味著損耗可能僅減少6%到8%。
