Loss analysis and thermal structure design of large-capacity medium-frequency transformers with ultra-thin grain-oriented silicon steel cores

LIN Jiajun; GAO Hao; PAN Ming; LI Bonian; GU Xiaohu; ZHANG Zhili

doi:10.19585/j.zjdl.202604012

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Loss analysis and thermal structure design of large-capacity medium-frequency transformers with ultra-thin grain-oriented silicon steel cores

Transmission and Transformation | 更新时间：2026-07-31

- Loss analysis and thermal structure design of large-capacity medium-frequency transformers with ultra-thin grain-oriented silicon steel cores
- ZHEJIANG ELECTRIC POWER Vol. 45, Issue 4, Pages: 123-132(2026)
- 作者机构：
  
  1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014
  2.国网电力科学研究院有限公司（南瑞集团有限公司），南京 211103
  3.上海置信电气有限公司，上海 200335
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.19585/j.zjdl.202604012
  CLC：
- Received：23 July 2025，
  
  Revised：2025-09-06，
  
  Online First：24 April 2026，
  
  Published：25 April 2026
- 稿件说明：
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蔺家骏,高浩,潘明等.大容量超薄硅钢中频变压器损耗分析与散热结构研究[J].浙江电力,2026,45(04):123-132.

LIN Jiajun,GAO Hao,PAN Ming,et al.Loss analysis and thermal structure design of large-capacity medium-frequency transformers with ultra-thin grain-oriented silicon steel cores[J].ZHEJIANG ELECTRIC POWER,2026,45(04):123-132.
蔺家骏,高浩,潘明等.大容量超薄硅钢中频变压器损耗分析与散热结构研究[J].浙江电力,2026,45(04):123-132. DOI： 10.19585/j.zjdl.202604012.

LIN Jiajun,GAO Hao,PAN Ming,et al.Loss analysis and thermal structure design of large-capacity medium-frequency transformers with ultra-thin grain-oriented silicon steel cores[J].ZHEJIANG ELECTRIC POWER,2026,45(04):123-132. DOI： 10.19585/j.zjdl.202604012.

摘要

超薄取向硅钢具有中频损耗低、磁感应强度高等特点，在大容量中频变压器领域具有广阔的应用前景。然而，受工作电压波形和频率的影响，当前大容量中频变压器存在损耗高和发热严重等问题。为提高大容量超薄硅钢中频变压器损耗计算的准确性，降低变压器的温升，以一台1 800 kVA的中频变压器为研究对象，分析了铁心与绕组的损耗计算方法。基于理论公式和三维有限元技术，验证了铁心损耗计算的准确性。采用二维有限元技术计算变压器绕组的交、直流电阻之比，进而得到绕组的交流损耗。以计算所得的损耗为热源，建立了中频变压器有限元模型，分析了水流量、水管导热系数和环氧树脂导热系数对变压器绕组、铁心温升的影响规律，可为中频变压器的散热设计提供指导。

Abstract

Ultra-thin grain-oriented silicon steel features low medium-frequency loss and high magnetic induction， giving it strong application potential in large-capacity medium-frequency transformers. However， influenced by operating voltage waveforms and frequencies， existing large-capacity medium-frequency transformers still experience high losses and severe heating. To improve the accuracy of loss analysis and reduce temperature rise， this paper investigates a 1，800 kVA medium-frequency transformer and analyzes the loss-calculation methods for both the core and the windings. The accuracy of the core-loss calculation is verified using theoretical formulas in combination with three-dimensional finite element analysis. Two-dimensional finite element analysis is employed to determine the ratio of AC to DC resistance of the windings， from which the AC winding losses are obtained. Using the calculated losses as heat sources， a finite element thermal model of the medium-frequency transformer is established. The effects of cooling-water flow rate， thermal conductivity of cooling pipes， and thermal conductivity of epoxy resin on the temperature rise of the windings and the core are then analyzed. The results provide valuable guidance for the thermal structure design of medium-frequency transformers employing ultra-thin grain-oriented silicon steel cores.

关键词

Keywords

references

TANG B ， YANG J W ， HUANG L ， et al . Determination of permissible distance between air defense surveillance radar and UHVAC power transmission lines ［J］. IEEE Transactions on Applied Superconductivity ， 2019 ， 29 （ 2 ）： 0500105 .

温家良，吴锐，彭畅，等 . 直流电网在中国的应用前景分析［J］. 中国电机工程学报， 2012 ， 32 （ 13 ）： 7 - 12 .

WEN Jialiang ， WU Rui ， PENG Chang ， et al . Analysis of DC grid prospects in China ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2012 ， 32 （ 13 ）： 7 - 12 .

汤广福，王高勇，贺之渊，等 . 张北500 kV直流电网关键技术与设备研究［J］. 高电压技术， 2018 ， 44 （ 7 ）： 2097 - 2106 .

TANG Guangfu ， WANG Gaoyong ， HE Zhiyuan ， et al . Research on key technology and equipment for Zhangbei 500 kV DC grid ［J］. High Voltage Engineering ， 2018 ， 44 （ 7 ）： 2097 - 2106 .

YUAN F T ， TANG B ， DING C ， et al . Optimization design of a high-coupling split reactor in a parallel-type circuit breaker ［J］. IEEE Access ， 2019 ， 7 ： 33473 - 33480 .

李正，陈堂贤，张赟宁，等 . 基于ISSA-BiLSTM的多端柔性直流输电线路保护方案［J］. 电测与仪表， 2025 ， 62 （ 4 ）： 97 - 104 .

LI Zheng ， CHEN Tangxian ， ZHANG Yunning ， et al . Protection scheme of flexible MTDC transmission line based on ISSA-BiLSTM ［J］. Electrical Measurement & Instrumentation ， 2025 ， 62 （ 4 ）： 97 - 104 .

张建坡，李永赟，黄勇，等 . 基于构网储能型SVG新能源直流外送系统暂态过电压抑制［J］. 智慧电力， 2025 ， 53 （ 8 ）： 1 - 10 .

ZHANG Jianpo ， LI Yongyun ， HUANG Yong ， et al . Transient overvoltage suppression in grid-forming energy-storage SVG-based renewable energy HVDC outbound systems ［J］. Smart Power ， 2025 ， 53 （ 8 ）： 1 - 10 .

肖茂然，郭宁，强宇一，等 . 基于领域驱动的配电网边缘智能体系统构建［J］. 电力需求侧管理， 2024 ， 26 （ 6 ）： 81 - 87 .

XIAO Maoran ， GUO Ning ， QIANG Yuyi ， et al . Construction of distribution network edge agent system based on domain driven design ［J］. Power Demand Side Management ， 2024 ， 26 （ 6 ）： 81 - 87 .

刘云鹏，许自强，李刚，等 . 人工智能驱动的数据分析技术在电力变压器状态检修中的应用综述［J］. 高电压技术， 2019 ， 45 （ 2 ）： 337 - 348 .

LIU Yunpeng ， XU Ziqiang ， LI Gang ， et al . Review on applications of artificial intelligence driven data analysis technology in condition based maintenance of power transformers ［J］. High Voltage Engineering ， 2019 ， 45 （ 2 ）： 337 - 348 .

刘洁苇，吕运强，李琳，等 . 高频变压器磁场和温度场的瞬态特性分析［J］. 高电压技术， 2019 ， 45 （ 4 ）： 1191 - 1200 .

LIU Jiewei ， LÜ Yunqiang ， LI Lin ， et al . Transient simulation analysis of electromagnetic field and temperature field of high-frequency transformer ［J］. High Voltage Engineering ， 2019 ， 45 （ 4 ）： 1191 - 1200 .

陈彬，李琳，刘海军，等 . 基于有限元法的高频变压器漏电感和绕组损耗计算与分析［J］. 电工电能新技术， 2018 ， 37 （ 1 ）： 8 - 14 .

CHEN Bin ， LI Lin ， LIU Haijun ， et al . Calculation and analysis of leakage inductance and winding loss of high-frequency transformer based on finite element method ［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ， 2018 ， 37 （ 1 ）： 8 - 14 .

VILLAR I ， MIR L ， ETXEBERRIA-OTADUI I ， et al . Optimal design and experimental validation of a Medium-Frequency 400 kVA power transformer for railway traction applications ［C］// Proceedings of 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE） . Raleigh ： IEEE ， 2012 ： 684 - 690 ．

许志伟，许智萌，刘志华 . 高频变压器漏抗影响机理研究［J］. 湖南工程学院学报（自然科学版）， 2020 ， 30 （ 1 ）： 6 - 10 .

XU Zhiwei ， XU Zhimeng ， LIU Zhihua . Study on influence mechanism of leakage reactance of high frequency transformer ［J］. Journal of Hunan Institute of Engineering （Natural Science Edition）， 2020 ， 30 （ 1 ）： 6 - 10 .

邵先军，高一冉，金凌峰，等 . 油浸式变压器内部温度的热-流场耦合仿真与特性分析［J］. 浙江电力， 2023 ， 42 （ 12 ）： 36 - 44 .

SHAO Xianjun ， GAO Yiran ， JIN Lingfeng ， et al . Thermal-fluid field coupling simulation and characteristic analysis on internal temperature of oil-immersed transformers ［J］. Zhejiang Electric Power ， 2023 ， 42 （ 12 ）： 36 - 44 .

王晓琴，张省伟，房楠 . 开关电源中高频变压器的设计［J］. 通信电源技术， 2018 ， 35 （ 3 ）： 138 - 139 .

WANG Xiaoqin ， ZHANG Shengwei ， FANG Nan . High frequency transformer design in the low voltage high current switching power supply ［J］. Telecom Power Technology ， 2018 ， 35 （ 3 ）： 138 - 139 .

ALBACH M ， DURBAUM T ， BROCKMEYER A . Calculating core losses in transformers for arbitrary magnetizing currents a comparison of different approaches ［C］// PESC Record. 27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference . Baveno，Italy ： IEEE ， 2002 ： 1463 - 1468 .

VENKATACHALAM K ， SULLIVAN C R ， ABDALLAH T ， et al . Accurate prediction of ferrite core loss with nonsinusoidal wave forms using only Steinmetz parameters ［C］// Proceedings of 2002 IEEE Workshop on Computers in Power Electronics . Mayaguez ： IEEE ， 2002 ： 36 - 41 ．

REINERT J ， BROCKMEYER A ， DE DONCKER R W . Calculation of losses in Ferro-and ferrimagnetic materials based on the modified Steinmetz equation ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2001 ， 37 （ 4 ）： 1055 - 1061 ．

曹小鹏，陈武，宁光富，等 . 基于多目标遗传算法的大功率高频变压器优化设计［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1348 - 1355 .

CAO Xiaopeng ， CHEN Wu ， NING Guangfu ， et al . Optimization design of high-power high-frequency transformer based on multi-objective genetic algorithm ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1348 - 1355 .

王威望，刘莹，何杰峰，等 . 高压大容量电力电子变压器中高频变压器研究现状和发展趋势［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 10 ）： 3362 - 3373 .

WANG Weiwang ， LIU Ying ， HE Jiefeng ， et al . Research status and development of high frequency transformer used in high voltage and large capacity power electronic transformer ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 10 ）： 3362 - 3373 .

李智龙 . 1 kV/200 kVA中频隔离变压器设计及优化［D］. 沈阳：沈阳工业大学， 2024 .

LI Zhilong . Design and optimization of 1 kV/200 kVA medium-frequency isolation transformer ［D］. Shenyang ： Shenyang University of Technology ， 2024 .

解曾祺，韩耀萱，李志辉，等 . 高导热氮化铝/环氧树脂复合材料的高频沿面放电特性［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 13 ）： 5374 - 5385 .

XIE Zengqi ， HAN Yaoxuan ， LI Zhihui ， et al . High frequency surface discharge characteristics of aluminum nitride/epoxy resin composites with high thermal conductivity ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 13 ）： 5374 - 5385 .

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