考虑材料完整磁特性的三维暂态电磁场计算方法

The hysteresis loops are the actual magnetic characteristic, but not the magnetization curve, and the material does not work with the magnetization curve, which conceal the emanence and hysteresis loss. Even for soft magnetic material silicon steel, the remanence can be 1T, if the magnetic flux density reaches 1.7 T. The hysteresis loops at different frequencies are different. In addition, there is no effective measurement method for the deep saturated zone of soft magnetic material so far, while the general measurement method can only give the magnetic characteristics within 10 kA/m. However, for the transformers running in double-over voltage situation, the magnetic flux density in the core can reach 3T, and the magnetic field can be hundreds of kA/m. Therefore, the main research contents and objectives of this project are: the effective measurement principle and method of magnetic characteristics in depth saturation till the complete magnetization point, so that combining with the measurement results of the existing low exciting magnetic field, the complete magnetic characteristic curve can be formed; the new method of 3D transient electromagnetic field calculation considering the magnetic hysteresis loops and covering deep saturation of the core. Its difficulty is the multi-value of the hysteresis loop, i.e., at a point of the material B-H, there will be a number of different hysteresis loops against different frequencies crossing through, so that the multi-value problem is formed. It depends on the rate of field variation which loop the magnetic characteristic goes along. The direct relationship of the field variation and the material characteristics is one of the features of this project.

磁滞回线族是磁性材料之磁特性，而磁化曲线非也，材料不以磁化曲线工作，其掩盖了剩磁特性与磁滞损耗，即便软磁硅钢片在磁密达到1.7T下剩磁也可达1T；并且不同频率下的磁滞回线差别很大。另外，对软磁材料深度饱和区的磁特性测量尚无有效方法，一般方法只能给出磁场强度在10kA/m以内的磁特性，而就变压器单倍额定电压下铁芯磁密可达3T、磁场可达数百kA/m。依此，项目确立的主要内容与目标为：研究材料深度饱和区直至完全磁化点的有效测量方法，结合现有低励磁下测量得到的不同频率下的不同磁滞回线族构成材料的完整磁特性；研究考虑该完整磁特性的暂态电磁场计算方法，提出基于磁滞回线的频率特性进行暂态场的时域求解方法，其难点是磁滞回线的多值性，即在材料B-H的一个点处会有多条不同频率下的磁滞回线交叉通过，形成多值问题，随着场变化磁特性将沿哪条磁滞回线变化依赖于场的变化率。场变化与材料磁特性直接关联求解是项目特色之一。

不同频率与不同最大励磁磁场下磁性材料的磁滞回线簇是其完整的磁特性，为了表述该特性形成了一些描述磁性材料特性的磁模型。如何实现考虑磁滞特性或如何基于磁模型实现电磁场计算是本项目要解决的核心问题。主要成果包括：（1）提出了采用硬磁测量设备测量软磁深度饱和区特性的方法并实现了较高精度的测量；为了排除空气磁通给测量结果带来的影响，采用了类似爱泼斯坦方圈中的空气补偿线圈的原理结构，提出了基于数值仿真的由外到内的B-H关系精确推算方法。（2）针对考虑磁滞回线的非线性迭代与时变暂态电磁场计算的时间迭代计算过程，提出了一套较完整的计算流程与相关计算技术；提出了动态磁模型与动态伪磁导率结合的方法，该方法可以使非线性迭代收敛速度得到大幅度提高。（3）提出了一种考虑磁滞的基准问题(Benchmark problem)，利用该问题的解答可以检验二维和三维模型数值计算方法的准确度。（4）将计算方法应用于变压器的剩磁计算和损耗计算中，不仅得到了变压器的剩磁和损耗，并且分析了外电路参数与变压器参数对剩磁的影响特性，明晰了变压器分闸后铁心的工作变化轨迹与剩磁机理，在此基础上提出了一种通过加大外电路电容减小变压器剩磁的措施，由此可以实现变压器剩磁小到工程中不需要考虑其影响的程度，这具有很重要的工程价值。