1 630KVA北京干式变压器结构与参数特性
1.1 核心结构设计
本文研究对象为10kV/0.4kV等级630KVA
北京干式变压器，连接组别为Dyn11，采用F级绝缘标准。铁芯选用高导磁冷轧硅钢片，采用45°全斜接缝叠制工艺，有效降低空载损耗与运行噪音；绕组采用铜箔绕制+环氧树脂真空浇注成型结构，机械强度高、抗短路能力强，同时具备优良的绝缘性能与散热特性。设备配备强迫风冷系统，当绕组温度超过80℃时自动启动冷却风机，实现120%额定负载运行。
1.2 关键技术参数
设备核心技术参数如下：额定容量630kVA，高压侧额定电压10kV，额定电流36.37A；低压侧额定电压0.4kV，额定电流909.3A；空载损耗1.2kW，负载损耗6.8kW；F级绝缘温升限值100K，自然冷却下额定温升65K，强迫风冷下温升限值提升至100K；防护等级IP20，适配室内及半密闭箱变场景。
2 多物理场耦合数值模型构建
2.1 几何建模与网格划分
基于SolidWorks建立630KVA干式
北京变压器三维几何模型，涵盖铁芯、高低压绕组、夹件、冷却风机及周边空气域。考虑到绕组与铁芯的结构复杂性，采用分区网格划分策略：对绕组导线、铁芯等关键发热区域采用四面体加密网格，网格尺寸控制在2-5mm；对空气域、夹件等非关键区域采用六面体网格，网格尺寸为10-20mm，兼顾计算精度与效率。通过网格无关性验证，最终确定网格总数为2.3×10^6，网格质量平均大于0.85，满足数值计算要求。
2.2 控制方程与边界条件
本文采用有限元法（FEM）求解电磁场，有限体积法（FVM）求解温度场与流场，实现多物理场耦合计算。
电磁场控制方程基于麦克斯韦方程组，考虑铁芯磁滞损耗与绕组涡流损耗，将计算得到的损耗作为温度场的体积热源输入。边界条件设置为：铁芯外表面为磁绝缘边界，绕组端部为电流加载边界。
温度场控制方程采用傅里叶热传导方程，结合对流换热边界条件。固体域（铁芯、绕组、夹件）的导热系数为温度相关参数，空气域的对流换热系数通过流场计算自适应获取。环境温度设置为25℃，绕组绝缘材料的更高允许温度为155℃（F级绝缘）。
流场控制方程采用连续性方程、动量方程与能量方程，湍流模型选用Realizable k-ε模型，以精准刻画空气自然对流与强迫风冷的流动特性。强迫风冷工况下，冷却风机出口设置为速度边界，风速为6m/s；空气域出口设置为压力出口，压力为标准大气压。
2.3 耦合策略
采用“电磁-热-流”单向耦合策略：首先求解电磁场，获取铁芯与绕组的损耗分布；将损耗数据映射至温度场模型，求解温度分布；最后将温度场计算得到的温度梯度作为流场模型的浮力源项，求解流场分布，实现损耗-温度-流场的协同分析。
3 仿真结果与分析
3.1 电磁损耗分布特性
仿真结果表明，630KVA干式
北京变压器的损耗主要集中在铁芯与低压绕组，其中铁芯损耗占总损耗的17.6%，低压绕组损耗占总损耗的58.8%，高压绕组损耗占总损耗的23.6%。铁芯损耗更大值出现在铁芯柱与铁轭的连接处，这是由于该区域磁密分布不均，磁滞损耗与涡流损耗叠加导致；绕组损耗呈现端部高、中部低的分布规律，原因是绕组端部漏磁密度较大，涡流损耗显著增加。额定负载下，变压器总损耗为8.0kW，与设计参数误差小于3%，验证了电磁模型的准确性。
3.2 流场分布特性分析
自然冷却工况下，空气在绕组与铁芯的加热作用下形成自然对流，热空气沿绕组表面向上流动，冷空气从设备底部补充，流场速度更大值为0.52m/s，主要集中在绕组端部间隙。由于绕组排列密集，中部区域易形成气流死区，导致散热不畅。
强迫风冷工况下，冷却风机产生的强制气流沿绕组轴向流动，流场速度显著提升，更大值达到3.8m/s。气流在绕组间隙内分布较均匀，有效消除了自然冷却工况下的气流死区，增强了绕组与空气的对流换热效果。但高压绕组顶部存在局部气流回流现象，影响散热效率，需针对性优化风道设计。
3.3 温度场分布与热点识别
自然冷却工况下，变压器绕组热点温度为112℃，位于低压绕组上部端部；铁芯更高温度为85℃，位于铁芯柱顶部；高压绕组更高温度为98℃。热点温度低于F级绝缘允许温度（155℃），但已接近自然冷却温升限值（65K），负载提升空间有限。
强迫风冷工况下，绕组热点温度降至82℃，较自然冷却工况降低30℃；铁芯更高温度降至68℃，高压绕组更高温度降至75℃。温度分布均匀性显著提升，热点温度降低幅度明显，说明强迫风冷系统可有效提升设备散热能力，为过载运行提供保障。通过仿真对比发现，绕组热点温度与气流速度呈负相关，气流速度每提升1m/s，热点温度可降低8-10℃。
4 散热优化方案与实验验证
4.1 散热优化方案设计
针对强迫风冷工况下高压绕组顶部气流回流问题，提出两项优化措施：一是在高压绕组顶部增设导流板，引导气流沿轴向顺畅流动，消除回流区域；二是调整冷却风机布局，将单侧风机改为双侧对称布置，提升气流分布均匀性。优化后模型仿真结果显示，高压绕组顶部回流现象完全消除，绕组间隙平均气流速度提升0.6m/s，热点温度进一步降至75℃，较优化前降低7℃。
4.2 实验验证
搭建630KVA干式变压器温升实验平台，采用光纤测温仪测量绕组热点温度，热电偶测量铁芯与环境温度，分别对优化前后的设备进行额定负载下的温升测试。实验结果表明，优化前强迫风冷工况下绕组热点温度为83℃，与仿真结果（82℃）误差为1.2%；优化后绕组热点温度为76℃，与仿真结果（75℃）误差为1.3%，仿真模型精度得到验证。同时，优化后设备的总散热效率提升12%，过载能力从120%额定负载提升至130%额定负载，验证了优化方案的有效性。
