电力行业对变压器容量、电压水平的和紧凑性的要求越来越高，导致绕组损耗增加、热点温度升高等重大问题。此外，变压器的使用寿命受到机械疲劳、过热、高压或振动的影响，因此需对变压器进行严格的出厂试验。但试验周期长，往往只是获取设备在特定条件下的宏观特性，很难得到具体的物理过程，无法确定试验结果的普适性、分析各物理过程间的联系。

随着高电压计算学的发展，李立浧院士提出，将多物理场仿真技术用于解决高压电气设备在设计、绝缘配合、试验、运行和故障分析中的单物理场和多物理场松散耦合问题，但高压电气设备结构复杂，电磁特性非线性强，多物理场强耦合的相关物理机理还需进一步研究和分析。目前的研究多采用单向顺序耦合以简化模型，求解过程高度依赖于边界条件和初始条件，存在不收敛和计算速度过慢等难题。

针对这一科学问题，CEMTA研究团队林梅研究员通过多物理场双向强耦合方法，探讨了变压器绕组电磁力与漏磁分布的关系，电磁损耗、温升和油流的相互作用，以及电磁力和温升对线圈机械特性的影响，分析了变压器故障的主要原因。这项研究工作对揭示变压器内多物理场耦合传递规律和评估变压器运行状态及使用寿命具有重要意义。

研究构建了400 kVA-15 kV/400 V三相强迫油循化变压器三维模型，忽略变压器内部金属构件（轭夹件和拉板），将线圈简化为同心圆柱体，进行电磁-热-流-结构多物理场耦合分析。

漏磁通主要由线圈端面和铁芯角端产生，由于A、C相的漏磁通在B相叠加，且低压线圈上的电流更大，故B相低压线圈电磁力最大；线圈损耗、温升和油流的相互作用明显。相比于恒热源时的温升计算结果，高、低压线圈损耗密度分别增加18.18%，和14.87%，线圈热点温度升高7.06 K；线圈变形主要由热载荷引起，电磁力对线圈变形幅度的影响较小。线圈两端应力最大，频率为额定电流的2倍，该处易发生疲劳失效。

该研究结果以“油浸式变压器绕组温升及力学性能数值研究”(Numerical study on temperature rise and mechanical properties of winding in oil immersed transformer) 为题，于2021年9月在国际权威期刊《能源》(Energy) 上在线发表。该工作以西安交通大学为唯一作者单位，CEMTA研究团队博士生贾晓宇为第一作者，林梅研究员为通讯作者，论文作者还包括杨剑教授、王秋旺教授等。该工作得到国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544221020363?via%3Dihub

林梅研究员主页：/xjtu/mu_gr/web/janeylinm

杨剑教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/yangjian81