1 前言

随着国民经济的不断发展，对电力的需求量越来越大，电力变压器随之向高电压、大容量方向发展。特别是目前三峡工程的建设，迫切需要生产出高电压、大容量的变压器。目前，国外已经制成1000mva以上的巨型变压器，最大试制品为1800mva，我国制造的变压器单台最大容量也已达到720mva。

随着变压器单台容量的增大，低压绕组电流也随之增大，有的高达几万安培。由于大容量变压器低压绕组大多采用螺旋式结构，这样在低压绕组中势必存在一轴向电流分量，该分量随低压绕组电流的增大而增大。以往在计算变压器漏磁及损耗时，由于电流没有达到一定程度，再加上计算的复杂性、困难性，因此忽略了轴向电流分量对漏磁场的影响，认为绕组的线匝都是同轴圆环回路。而实际上变压器绕组都是用导线一匝紧挨一匝绕制而成的，每匝均具有螺旋性。特别是螺旋式绕组，随容量的增大，其螺旋性越来越明显。因此，一些变压器专家对是否应该忽略其螺旋性的影响，提出了疑问。特别是对于特大容量、大电流变压器，忽略了该分量的影响，能否会使变压器铁心及结构件产生局部过热。为了搞清这些问题，有必要对这一分量电流产生的漏磁场进行详细分析，并利用现代的电磁场计算技术，精确地计算出考虑这一电流分量后变压器漏磁场的分布，以及由此产生的损耗，这有助于在开发新产品时，采取措施，控制其产生的负效应，指导产品设计。

绕组是变压器中产生磁场的根源，绕组的形状及其在变压器整体结构中所处的位置，直接影响变压器的漏磁分布。大容量变压器高压绕组一般采用内屏蔽连续式，低压绕组采用螺旋式。连续式绕组由很多个正、反线饼沿轴向串联组成。绕制时，总是若干匝沿辐向串联绕制成一个线饼，然后采用“翻转法”将线饼起头翻到线饼最上面，而将线饼的末头换到最下面的位置，经换位后接着绕第二饼。在连续式绕组中，每一饼线饼都有多匝线匝。饼与饼之间用垫块隔开。而螺旋式绕组是由多根扁导线并联叠绕而成的，饼间都用垫块隔开。根据绕组中电流的大小，绕组可采用单螺旋、双螺旋、3螺旋及4螺旋等结构。螺旋式绕组中每匝有几个线饼就是几螺旋，每匝绕组中饼数越多，绕组的螺旋角越大。因此?n螺旋式绕组的螺旋角大于(n-1)?螺旋的螺旋角。

在查看有关变压器漏磁计算的文献时，发现其中许多文献没有考虑大型变压器螺旋绕组的升角问题，而把所有的绕组都看成是同轴圆环回路，并假设绕组线匝间具有无限薄的绝缘，所有线匝紧密地填充了绕组所占的全部空间，绕组线匝在径向、轴向均匀缠绕，电流沿截面均匀分布。而实际上变压器绕组都是用扁导线一匝挨一匝绕制而成的，每匝之间均具有螺旋性，每个线饼与水平线间夹一固定数值的角度。所以不仅有圆周方向的电流，还有轴向分量的电流，即

特别是多螺旋式绕组的螺旋性更明显，超大容量变压器低压绕组一般采用3螺旋和4螺旋的绕制方式，有的变压器调压绕组还采用8螺旋。因此要计算螺旋式绕组轴向电流分量的影响，必须按照变压器绕组的实际形状建立几何模型。

本文主要针对大型变压器螺旋式绕组的不同螺旋度问题，对变压器漏磁场进行了计算，并根据计算结果，比较了不同螺旋度绕组电流轴向分量对变压器漏磁场的影响程度。

2 物理模型选择

由于螺旋式绕组本身是三维问题、是立体场，同时上下、前后、左右均不对称，无法按对称处理，因此在建立模型时，必须考虑变压器全域。大容量变压器低压螺旋式绕组一般都有100个左右的线饼，饼间都有散热油道间隔，线饼和油道是两种不同的材料，必须进行分别剖分。如果按实际情况建立模型，剖分的信息量相当大，再加上外围高压绕组、铁心、拉板、夹件等构件，按现有的计算资源，无法进行剖分，更不用说漏磁场的计算了。因此，对变压器实际结构必须进行一定的简化处理。

对于多螺旋绕组，按每匝绕组为一个整体向上绕成螺旋体，这样其螺旋角与实际情况完全一致。本文以一台容量为240mva的单相变压器为计算实例，该台变压器低压绕组采用的是4螺旋式结构，高压绕组采用的是内屏蔽连续式结构。因此建立模型时，为了节省计算资源，高压绕组按同轴圆环处理，低压绕组按不同的螺旋度和无螺旋的情况建立模型。由于受到现有计算资源的限制，本文只计算了低压绕组为32螺旋、16螺旋、8螺旋及无螺旋的四种情况下变压器漏磁场的分布，并分析了各种螺旋度绕组电流轴向分量对漏磁场的影响。对于低压绕组为4螺旋时的变压器漏磁场的计算，在目前计算资源下还无法实现。不过，可根据上述四种情况的计算结果，定性地分析低压绕组为4螺旋时其轴向电流分量对漏磁场的影响。

由于三维涡流场的计算需要更多的计算资源，根据该问题的特点，即主要是研究螺旋式绕组轴向电流分量对变压器漏磁场的影响，因此计算时做了如下假设：

(1)忽略铁心内涡流对漏磁场的影响，认为σ=0。

(2)各金属结构件，包括拉板、夹件、油箱的材料为线性、均匀、各向异性。

(3)忽略位移电流。

(4)忽略高