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摘要：浇注式干式变压器作为电力系统中不可或缺的设备，其性能和可靠性直接影响着电网的稳定运行。电磁优化设计是提高浇注式干式变压器性能的关键环节。本文针对浇注式干式变压器电磁设计中存在的问题，从电磁理论、结构特点和优化方法等方面进行深入探讨和研究。首先阐述了浇注式干式变压器电磁原理，分析其与传统油浸式变压器在电磁方面的差异；其次总结了浇注式干式变压器电磁设计的主要特点，包括无油冷却、绝缘强化、温升控制和噪声抑制等；再次提出了浇注式干式变压器电磁优化设计的要点，涉及磁心结构优化、绕组布线优化、绝缘结构优化、冷却系统优化和噪声优化等多个方面；最后通过实际案例分析，验证了所提优化方法的可行性和有效性。该研究有助于进一步提高浇注式干式变压器的电磁性能，促进其在电力、冶金、石化等领域的应用，具有重要的理论意义和实际价值。

关键词：浇注式干式变压器；电磁优化设计；无油冷却；噪声抑制

引言：随着环保意识的不断加强，干式变压器由于其不使用绝缘油、环保节能的优点而备受青睐。浇注式干式变压器是干式变压器的一种主要形式，它采用环氧树脂或乳液浇注的方式对绕组进行绝缘和固化，具有耐潮湿、抗冲击、自熄灭等特点，在电力、石化、冶金等行业应用广泛。但浇注式干式变压器在结构设计和制造工艺上也存在不少挑战，例如温升控制、噪声抑制、绝缘协调等。电磁优化设计是解决上述问题、提高浇注式干式变压器性能的关键。合理的电磁设计不仅能够降低变压器的无负载损耗和阻波损耗，还能有效抑制噪声，控制温升，延长使用寿命。因此，针对浇注式干式变压器开展电磁优化设计研究具有重要的现实意义和应用价值。

一、浇注式干式变压器电磁原理

浇注式干式变压器的电磁原理基于电磁感应定律，与传统油浸式变压器的基本原理相似。其工作原理是：当初级绕组通以交流电流时，会在铁心内产生交变磁通，这些交变磁通与二次绕组相互耦合，从而在二次绕组中感应出与初级绕组电压成比例的电压（如图1所示）。（1）磁场分布：浇注式变压器采用环氧树脂或乳液作为绕组的浇注绝缘介质，与空气相比，介电常数较大，会影响绕组周围的电磁场分布。（2）磁路特性：与传统油浸式变压器相比，浇注式变压器的磁路长度相对较长，磁阻较大，需要采取一定措施来控制磁通饱和。（3）损耗机理：浇注式变压器的主要损耗包括铁心的涡流损耗和绕组的电阻损耗，与油浸式变压器相比，无油冷却会导致温升较高，需特别注意损耗控制。（4）电磁屏蔽：浇注绝缘体具有一定的电磁屏蔽作用，有助于抑制外部电磁干扰，提高变压器的抗干扰能力。（5）噪声：由于无油冷却，浇注式变压器的主要噪声源为铁心和绕组振动噪声，传播途径与油浸式变压器有所不同。通过合理的电磁设计，如优化磁心和绕组结构、控制绕组电流密度、优化绝缘结构等，可以有效降低浇注式干式变压器的无功功率损耗和噪声水平，提高整体性能。

二、浇注式干式变压器电磁的特点

1.无油冷却的散热特性

与传统油浸式变压器不同，浇注式干式变压器采用固体环氧树脂或乳液浇注作为绝缘介质，无需使用绝缘油进行冷却。这种无油冷却设计虽然避免了油污染和火灾隐患，但也给变压器的散热带来了新的挑战。由于固体绝缘介质的导热系数较低，热量难以有效地从绕组和铁心传导至外壳散发。因此，浇注式变压器的散热主要依赖于外壳表面的自然对流和辐射换热方式，散热效率有限[1]。这就导致了变压器铁心和绕组的工作温度普遍较高，温升控制成为电磁设计的重点问题之一。

2.绝缘介质和结构的差异

浇注式干式变压器与油浸式变压器在绝缘介质和结构方面存在显著差异。前者采用环氧树脂或乳液作为主要绝缘介质，通过真空压力浇注的方式将绕组完全浸没和固化；而后者则使用矿物绝缘油作为液体绝缘介质。固体浇注绝缘的介电强度虽高于液体绝缘油，但其热稳定性和化学稳定性较差，且难以进行在线监测和维护。此外，环氧浇注体与金属导体之间存在较大的热膨胀系数差异，易产生热应力而引发绝缘缺陷。因此，浇注式变压器的绝缘结构设计需要特别注意绝缘协调和机械强度问题。

3.电磁屏蔽和抗干扰能力

浇注式干式变压器的固体绝缘结构使其具有一定的电磁屏蔽和抗干扰能力。环氧树脂等绝缘浇注体虽然不是理想的导磁材料，但其相对较高的介电常数和导电性能，可起到一定的磁场和电场屏蔽作用，有助于阻隔外部电磁干扰对变压器内部电磁场的影响。同时，浇注绝缘体也能够有效抑制变压器自身电磁场对外部设备的干扰。这种电磁兼容特性使得浇注式变压器在电磁环境恶劣的工业现场具有良好的适用性。但值得注意的是，由于浇注体存在一定的电导率，过强的感应电流也可能会引起局部放热的问题。

4.噪声来源和传播途径

浇注式干式变压器的主要噪声来源与传统油浸式变压器有所区别。由于无油冷却，浇注式变压器的主要噪声源为铁心和绕组振动噪声，而无油冷却噪声的贡献较小。其中，铁心噪声主要源于磁致伸缩效应导致的铁心振动，绕组噪声则由于电磁力作用在绕组导线上产生振动而引起。噪声的传播途径也与油浸式变压器有所不同，主要沿着固体绝缘件和外壳传播[2]。固体浇注体一方面能够阻隔部分振动传递，起到降噪作用；但另一方面，由于浇注体与金属壳体之间存在热膨胀系数差异，也可能会产生新的耦合振动，成为新的噪声源。因此，在浇注式变压器的电磁优化设计中，噪声控制也是需要重点考虑的问题之一。

三、浇注式干式变压器电磁优化设计要点

1.磁芯结构的优化设计

磁芯结构的优化设计是提高浇注式干式变压器电磁性能的关键环节。优化目标包括降低铁心无负载损耗、减小磁通漏泄、控制噪声振动等。常见的优化措施有：优化磁心接缝结构以降低涡流损耗，采用无缝组合式矩形环形磁心或钻孔磁心可有效减小涡流损耗；优化磁心夹件结构以降低磁通漏泄，采用新型冲片夹件或调整夹件位置可减小漏磁场；优化磁芯冷却散热结构以控制升温，增加冷却肋或改善铁心与外壳的接触以提高散热效率。此外，磁心材料的选择也很关键，可采用纳米晶合金等新型软磁材料以降低铁损。在磁芯结构优化过程中，需充分利用有限元分析等数值仿真手段，对磁场分布、损耗热量、结构强度等进行精确计算和优化。

2.绕组布线和排列的优化

绕组是浇注式干式变压器的核心部件，其布线和排列方式直接影响着变压器的电磁性能。优化目标包括降低绕组交流电阻、减小绕组、控制绕组电流密度分布等。常见的优化措施有：优化绕组横截面几何形状以减小皮肤效应和逆时针效应，并可采用平行扁平线圈等新型绕组结构；优化绕组层间绝缘和外层绝缘结构以降低绕组电容，减小电容性电流通路；优化绕组匝数分布及匝间距离以控制局部电流密度过高，并可采用连续盘绕或梳状绕组等新型绕制工艺。在绕组优化过程中，必须严格遵守电磁设计准则，兼顾电磁性能和机械强度要求，对电磁力、振动应力等进行综合分析。

3.绝缘结构设计与协调

浇注式干式变压器的绝缘结构设计直接关系到产品的可靠性和使用寿命。合理的绝缘结构设计需要协调好电介质、热机械和电磁性能之间的关系。在电介质性能方面，需优化环氧树脂/乳液的浇注工艺，控制气孔尺寸分布，调整填充体积及固化温度等，以达到足够的介电强度和部分放电特性。在热机械性能方面，需控制浇注体与金属导体的热膨胀系数差异，优化结合部位的结构设计，避免因热应力过大而产生裂纹和间隙放电等缺陷。在电磁性能方面，需优化主绝缘与夹层绝缘的布置，降低浇注体的局部电磁损耗，同时保证其具备一定的电磁屏蔽能力。此外，还需重点关注绝缘、冷却和电磁性能之间的协调一致性。

4.冷却系统的优化方案

无油冷却是浇注式干式变压器的典型特征，但也使温升控制成为了一大难题。因此，优化冷却系统设计对于降低温升、提高过负载能力至关重要。常见的优化措施包括：优化外壳形状和材料以提高自然对流和辐射换热效率，如采用盘管式、翅片式、蜂窝式等新型外壳结构；优化冷却风道布置和空气流动路径，增加强制风冷或水冷系统等[3]；优化变压器热源布局，将发热量集中区与冷却区分开布置；优化绕组结构和绝缘体导热性能以提高内部热传导效率。在冷却系统优化过程中，需要对整体温度场进行流体热分析，精确计算温升分布，并与电磁损耗、结构强度等设计约束条件相协调。

5.降噪措施与电磁兼容设计

噪声控制和电磁兼容性是浇注式干式变压器电磁优化的又一重点内容。降噪措施主要包括：优化铁心结构和固定方式以抑制磁致伸缩噪声，如采用无缝磁心、层压结构等；优化绕组夹件和支架结构以减小电磁力激励噪声振动，采用阻尼材料和减振装置等；优化外壳结构以阻隔噪声辐射到外部环境，如设置隔音层、消声罩等。电磁兼容设计则主要针对电磁干扰和电磁敏感性两方面：在电磁干扰方面，需优化磁路设计和屏蔽结构，减小漏磁场对外部电子设备的影响；在电磁敏感性方面，需提高产品本身的抗干扰能力，如采用环氧浇注和接地屏蔽技术等。上述措施需要与电磁、结构、热学等多物理场数值分析相结合，以达到综合最优设计。

四、案例分析

针对某800kVA级别的环氧浇注式干式变压器，进行了全面的电磁优化设计。首先，对磁心结构进行了优化。采用了无缝矩形环形硅钢片叠加而成的磁心结构，有效降低了铁心绕组接头处的漏磁场和涡流损耗。同时，增加了磁芯外围的冷却肋，提高了对流散热效率。其次，对绕组结构也作了优化。采用了扁平矩形线圈绕组，减小了绕组电流密度不均匀性。同时，在绕组层间夹入了散热垫片，增强了绕组与外壳之间的热传导。在绝缘结构上，选用了高热稳定性环氧树脂浇注体。并在绕组和磁心关键部位采用隔热隔离层，降低了热应力集中。此外，还对外壳结构和内部流场进行了优化设计[4]。采用了蜂窝式铝外壳，大大增加了散热面积。内部设计了专门的风道和导风叶片，引导气流流经发热部位。最后，在降噪和电磁兼容方面，选用了低噪声硅钢片材料，在外壳与磁心之间加装了减振装置。同时，通过接地屏蔽和漏磁优化，有效降低了变压器的电磁干扰水平。

结束语：

随着电力电子技术和智能制造的不断发展，浇注式干式变压器将面临更高的性能要求和更大的发展空间。电磁优化设计需要与新材料、新工艺、数字技术等融合创新，以期在节能降耗、电磁兼容、智能化等方面取得重大突破，推动浇注式干式变压器产品向更高水平迈进。相信通过持续的理论研究和工程实践，浇注式干式变压器必将为能源转型和可持续发展做出更大贡献。

参考文献：

[1]白忠东，杜建忠. 基于环氧干式变压器浇注干燥工序的智能物流系统设计与应用 [J]. 变压器， 2024， 61 （02）： 13-16.

[2]杨训豹，丁鑫. 环氧树脂浇注干式变压器局放特性影响因素研究 [J]. 船电技术， 2023， 43 （09）： 39-43.

[3]李有帆. 树脂浇注干式变压器结构优化设计解析 [J]. 电器工业， 2023， （03）： 65-68.