在变压器铁心装叠过程中，通常在硅钢叠片上设置工艺孔。基于自动化装备的工艺孔叠片可提高叠制效率，但会增加铁心损耗并影响变压器运行性能。对于工艺孔式的叠片方法，其广泛适用于容量5000kV·A以内的变压器中，为满足铁心装叠要求，需在铁心柱及铁轭处均匀设置工艺孔。

研究表明，工艺孔所引起的损耗增量正比于孔数，一台设置双孔的SJL3 320/10变压器，其损耗可增加5.8%。因此，准确计算铁心工艺孔所引起的损耗变化对分析变压器运行性能至关重要。

而铁心损耗的准确计算是变压器设计中的难点，尤其当铁心设置工艺孔后。由于冷轧硅钢的磁导率远高于空气，当磁通经过工艺孔附近时，会沿磁阻最小的路径流动，即原本均匀分布的磁通流线会在工艺孔周围发生绕行，造成工艺孔边缘顺向磁通密度增加，此时，磁力线发生弯曲，在硅钢叠片的垂直轧制方向上产生横向磁通分量，使得工艺孔铁心的损耗分析计算变得更加困难。

现有的铁心损耗计算方法大致可归为三类：基于铁心磁化物理现象的磁滞模型法、基于铁损可分离假设的损耗分离法以及Steinmetz经验公式法。用于铁心损耗计算的Preisach和Jiles- Atherton模型具有一定的统计规律和理论基础，但模型识别参数较多，且与有限元结合过程复杂，难以在工程实践中应用。

损耗分离法基于畴壁运动机理将损耗分离成多个部分，相较于磁滞模型法，损耗分离法简化了铁损的分析过程，但仍涉及较多辨识参数，因此较少在工程中使用。而Steinmetz损耗公式利用频率与磁通密度计算损耗密度，其公式简单，涉及参数较少，被广泛应用于工程计算。

国内外学者已采用多种方法分析工艺孔影响。较早的研究给出了铁损基于实验数据的经验定性关系。随后有研究基于有限元仿真分析了圆形工艺孔尺寸对损耗的定性影响。近年来，大量研究关注工艺孔尺寸、形状、位置以及切割方法对孔周围局部磁通与磁畴结构的损伤影响。

而目前，对于不同形状、尺寸的工艺孔造成的铁心损耗增长，并没有一套准确的理论计算方法，且不同形状和尺寸的工艺孔对铁心性能的影响也有待研究。综合考虑形状与尺寸参数对工艺孔铁心损耗的影响，可为工程实践中变压器铁心的精细化设计提供参考。

图1 设置工艺孔后的磁通流线示意图

为了研究工艺孔对变压器铁心损耗及其性能的影响，省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室的研究人员窦润田、李永建等，在2022年第12期《电工技术学报》上撰文，对硅钢材料的双向交变磁特性与损耗特性进行测量与分析，结合Steinmetz损耗计算公式对带工艺孔的铁心模型进行二维磁场解析计算，提出由不同形状、尺寸工艺孔造成铁心损耗增长的理论计算方法。

图2 二维磁特性测试系统

他们基于有限元法对变压器铁心常用的取向硅钢片进行二维瞬态磁场仿真计算，对比分析了不同类型工艺孔对变压器铁心损耗的影响。构建带工艺孔的硅钢样片损耗测试平台，定量测试铁心材料由工艺孔造成的损耗以及局部温升，验证理论计算方法的有效性与准确性。

图3 爱泼斯坦方圈测试系统

研究人员指出，仿真及实验结果表明，所提出的变压器工艺孔铁心损耗增长的计算方法具有较高的计算精度和工程适用性，可为带工艺孔铁心的损耗计算提供理论指导与技术支撑。

本文编自2022年第12期《电工技术学报》，论文标题为“受工艺孔影响的变压器铁心损耗计算与分析”。本课题得到了国家自然科学基金项目、优秀青年科学基金项目和河北省自然科学基金创新群体项目的支持。