电工装备的制造和运行过程中,对设备内部的电磁场进行有效分析具有重要的意义。深入研究面向大型电工装备电磁场问题的数值计算方法具有重要的学术意义和工程应用价值。在国家重点研发计划“特高压设备内部多物理场耦合建模与仿真”（2017YFB0902703）和国家自然科学基金“基于关键材料与构件在役特性的大型间隙铁心电抗器振动行为有效模拟及实验验证”（51777073）的资助下,本文面向电力变压器直流偏磁和换流变压器交直流复合电场等非线性问题,采用基于谐波平衡的频域分解算法实现了强非线性电磁场的准确计算和有效分析。本文采用复指数级数对周期变量进行展开,提出了基于磁标量位和电矢量位的定点频域分解算法,并应用于叠片铁心直流偏磁问题的计算和分析。采用棱边元对电矢量位进行插值计算。考虑场路耦合关系,以磁标量位和励磁电流为未知量建立求解二维非线性磁场的频域方程。引入定点磁导率实现各次谐波的解耦,有效地降低了频域求解的计算代价。利用叠片铁心模型进行直流偏磁实验,将计算结果与实验结果进行了比较,验证了基于磁标量的有限元法在直流偏磁问题中的有效性。进一步地将频域分解算法应用于多谐波激励下换流变压器交直流复合电场问题的分析。本文方法同时域算法和传统谐波平衡算法相比,可以显著降低内存消耗并减少计算时间。为验证该算法的有效性,在考虑电导率非线性的条件下,针对换流变压器阀侧绕组油–纸绝缘典型结构模型进行了计算。将所提算法的计算结果与时步法的结果进行了对比以验证其准确性。对一台±500kV的实际换流变压器二维模型内部的电场分布进行了计算和分析。

实际运行工况下,非晶合金变压器的振动噪声要明显高于传统取向硅钢铁芯变压器,其原因主要是相同磁化条件下非晶合金的磁致伸缩现象通常高于冷轧取向电工钢片。因此,深入掌握不同铁磁材料的磁致伸缩特性是有效解决变压器铁芯减振降噪问

变压器铁心在运行时长期承受外施应力和高频激励的影响，由此导致的振动噪声和铁损问题日益严峻。为深入研究取向硅钢片在不同频率和应力下的综合磁性能，该文搭建了软磁材料综合磁性能测量平台，首先利用单片磁特性测量装置和应力施加装置，得到了工频下拉应力和压应力对取向硅钢片磁致伸缩、磁滞回线及铁损特性的影响。进一步研究了应力和不同激励共同影响下硅钢片综合磁性能的变化趋势，得到了不同激励、应力对取向硅钢片磁特性、磁致伸缩特性及噪声特性的影响规律。测量结果及其分析表明，拉应力对硅钢片的磁性能影响相对较小，而压应力对其影响较大；在压应力作用下，随着频率的升高取向硅钢片的磁致伸缩量有所减小，但频率、谐波含量、谐波次数和压应力的增大均导致取向硅钢片噪声增大。

The magnetic property measurement for grain oriented (GO) silicon steel sheet under non-sinusoidal excitations (DC bias and harmonic) were conducted based on the experimental platform. Based on the Preisach model, the static hysteresis and loss properties were accurately simulated. Furthermore, an improved loss model was proposed by adjusting the statistical parameter of abnormal loss, which depends on the characteristic quantities of DCbias or harmonic excitations. The simulated dynamic hysteresis loops and iron losses under different non-sinusoidal conditions were compared with the measured ones, and thus the accuracy and generality of the improved model proposed in this paper were verified. In addition, the influences of the harmonic and DC-biasing quantities upon the total losses is investigated.

The two-dimensional hysteresis property of the soft magnetic composite (SMC) material under circular rotational excitation was measured by the experimental platform. The first-order reversal curves and the corresponding scalar Everett functions can be numerically generated by the measured major hysteresis loops along the orthogonal easy axis and hard axis. Different from the classical model, an improved vector Preisach hysteresis model that considers the anisotropic property of the SMC materials under vector magnetic excitation was put forward by introducing two parameters w and z. The two parameters were used to identify the vector Everett functions and adjust the shape of hysteresis curves under different magnitudes of the magnetic flux density. Furthermore, an efficient hybrid algorithm that combines simulated annealing with Nelder-Mead simplex technique was proposed for the accurate extraction of optimal parameters. The simulated results based on the improved model agree well with the measured ones; thus, the effectiveness and accuracy of the proposed method were verified.

特高压直流工程因为输送容量大、传输距离远等优势在近年得到迅速发展和工程实践。但特高压直流工程一直存在直流偏磁现象,直流偏磁电流会导致特高压直流换流变压器的励磁电流畸变,引起振动和噪声加剧等不利影响,严重情况下会威胁换流变的安全稳定运行。首先对直流偏磁产生的原理进行了分析,通过计算确定了实际特高压直流工程中各因素的影响程度,搭建了特高压换流变铁芯模型对其励磁特性进行了仿真研究和试验验证。并利用有限元仿真对直流偏磁影响下的换流变振动和噪声进行了多物理场耦合建模和计算分析。研究结果对后续特高压直流工程中换流变压器的研制及换流站噪声超标的解决措施具有重要指导意义。

为深入研究三相五柱变压器在直流偏磁条件下的振动特性,首先基于激光多普勒效应,对取向硅钢片磁-弹耦合特性进行测量,获得磁致伸缩曲线。其次提出适用于大型三相电力变压器的直流偏磁实验方案,将两台变压器相并联,并在中性点引入直流激励,测量变压器励磁和振动特性。基于磁-机械场的耦合理论进行有限元仿真,得到三相变压器铁心磁场和振动位移分布规律,实验结果与仿真结果对比一致。基于计算结果,分析了直流偏磁对变压器铁心振动的影响规律。

该文对交直流混合激励下（既含偏磁又含谐波）取向硅钢叠片的动态、静态磁滞特性和损耗特性进行测量,分析激励中不同因素（如直流偏磁磁场强度、谐波次数）对损耗的影响规律。提出基于非对称极限磁滞回线的Preisach模型参数辨识方法,实现静态磁滞回线的准确模拟。提出交直流混合激励下异常损耗模拟及其参数提取方法,并基于损耗分离和场分离的等效关系,得到交直流混合激励下的Preisach动态磁滞模型。通过仿真和实验结果的对比,验证了该方法的有效性和准确性。

针对经典矢量Preisach模型仅能模拟各向同性磁滞特性的缺陷,提出改进的矢量磁滞模型。通过引入幅值与方向角的关联参数改善磁场强度的曲线形态,使模型能够考虑软磁材料的各向异性特征。利用矢量磁特性实验平台对软磁复合材料（SMC）在二维旋转磁化激励下的磁特性进行测量,根据测量的极限磁滞回线,分别构造标量和矢量Everett函数。提出基于粒子群（PSO）和Powell方向加速的组合优化策略,显著改善PSO的局部寻优能力,提高计算效率和精度,进而实现矢量Preisach磁滞模型的高效参数辨识。矢量磁滞特性的仿真结果与测量结果相吻合,验证了该文所提改进矢量磁滞模型及其参数辨识方法的有效性。