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

研究表明，工藝孔所引起的損耗增量正比于孔數，一臺設置雙孔的SJL3 320/10變壓器，其損耗可增加5.8%。因此，準確計算鐵心工藝孔所引起的損耗變化對分析變壓器運行性能至關重要。

而鐵心損耗的準確計算是變壓器設計中的難點，尤其當鐵心設置工藝孔后。由于冷軋硅鋼的磁導率遠高于空氣，當磁通經過工藝孔附近時，會沿磁阻最小的路徑流動，即原本均勻分布的磁通流線會在工藝孔周圍發生繞行，造成工藝孔邊緣順向磁通密度增加，此時，磁力線發生彎曲，在硅鋼疊片的垂直軋制方向上產生橫向磁通分量，使得工藝孔鐵心的損耗分析計算變得更加困難。

現有的鐵心損耗計算方法大致可歸為三類：基于鐵心磁化物理現象的磁滯模型法、基于鐵損可分離假設的損耗分離法以及Steinmetz經驗公式法。用于鐵心損耗計算的Preisach和Jiles- Atherton模型具有一定的統計規律和理論基礎，但模型識別參數較多，且與有限元結合過程復雜，難以在工程實踐中應用。

損耗分離法基于疇壁運動機理將損耗分離成多個部分，相較于磁滯模型法，損耗分離法簡化了鐵損的分析過程，但仍涉及較多辨識參數，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算損耗密度，其公式簡單，涉及參數較少，被廣泛應用于工程計算。

國內外學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驗數據的經驗定性關系。隨后有研究基于有限元仿真分析了圓形工藝孔尺寸對損耗的定性影響。近年來，大量研究關注工藝孔尺寸、形狀、位置以及切割方法對孔周圍局部磁通與磁疇結構的損傷影響。

而目前，對于不同形狀、尺寸的工藝孔造成的鐵心損耗增長，并沒有一套準確的理論計算方法，且不同形狀和尺寸的工藝孔對鐵心性能的影響也有待研究。綜合考慮形狀與尺寸參數對工藝孔鐵心損耗的影響，可為工程實踐中變壓器鐵心的精細化設計提供參考。

圖1 設置工藝孔后的磁通流線示意圖

為了研究工藝孔對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家重點實驗室（河北工業大學）、河北工業大學河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室的研究人員竇潤田、李永建等，在2022年第12期《電工技術學報》上撰文，對硅鋼材料的雙向交變磁特性與損耗特性進行測量與分析，結合Steinmetz損耗計算公式對帶工藝孔的鐵心模型進行二維磁場解析計算，提出由不同形狀、尺寸工藝孔造成鐵心損耗增長的理論計算方法。

圖2 二維磁特性測試系統

他們基于有限元法對變壓器鐵心常用的取向硅鋼片進行二維瞬態磁場仿真計算，對比分析了不同類型工藝孔對變壓器鐵心損耗的影響。構建帶工藝孔的硅鋼樣片損耗測試平臺，定量測試鐵心材料由工藝孔造成的損耗以及局部溫升，驗證理論計算方法的有效性與準確性。

圖3 愛潑斯坦方圈測試系統

研究人員指出，仿真及實驗結果表明，所提出的變壓器工藝孔鐵心損耗增長的計算方法具有較高的計算精度和工程適用性，可為帶工藝孔鐵心的損耗計算提供理論指導與技術支撐。

本文編自2022年第12期《電工技術學報》，論文標題為“受工藝孔影響的變壓器鐵心損耗計算與分析”。本課題得到了國家自然科學基金項目、優秀青年科學基金項目和河北省自然科學基金創新群體項目的支持。