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随着电力变压器不断向大容量、高功率密度方向发展，电力变压器的电磁、发热和短路行为的分析研究在现代设计中发挥着愈来愈重要的作用，其磁场、损耗、温度和电动力分布的准确计算已成为电力变压器优化设计和提高运行可靠性的重要手段。
本课题致力于通过物理场有限元分析研究电力变压器的磁场、损耗、温升、短路参数和短路稳定性等方面的特征和特点，建立相应的数学模型并寻求快速有效的计算方法，解决产品设计制造和性能预估中的主要关键理论与技术。本文研究工作和成果如下：
(1)根据二维磁场中矢量磁位与磁通之间的基本关系，建立了计算铁心空载磁场的二维有限元模型。从铁磁材料损耗产生机理入手，对铁心空载损耗进行了计算。在此基础上，研究了不同接缝形式对空载损耗的影响，提出了衡量不同阶梯接缝形式对搭接区域损耗影响的度量尺度。通过对多台不同型号变压器空载试验，验证了空载损耗模型的合理性。
(2)建立了变压器的漏磁场及涡流损耗计算的三维有限元模型，并通过铁心材料磁导率和电导率的各向异性来等效铁心叠积效果，重点分析了结构件中的涡流损耗分布和总涡流损耗在各结构件中所占比例，并对涡流损耗计算时，各主要结构件间存在的相互影响进行了定量研究。基于“场路”耦合的方法，建立了单螺旋绕组支路电流及环流损耗计算的统一模型，对不同换位形式的支路电流分布、绕组损耗及影响因素进行了研究，并提出以短路阻抗和电流变比作为判断模型合理与否的标准。
(3)以流体的边界层厚度和绕组轴对称结构为依据对变压器绕组模型进行了二维简化，并引入等效热导率的概念使得绕组可以根据不同的形式进行离散。建立了油浸变压器铜油温升计算的流固耦合有限元模型，控制方程中考虑了流体的物性参数随温度变化的特性，以此求得了高、低压绕组在额定电流下相对于变压器油的平均温升以及各点温度和流场分布。对网格精度，气道宽度以及等效热导率对温度计算结果和分布的影响进行了研究。
(4)基于场路耦合的方法，建立了三相三柱变压器零序阻抗的有限元模型，对YN、ZN联接变压器在开路和短路情况时的磁场分布进行了分析，并对不同端口电压、外壳有无“D”作用时的零序阻抗数值进行了比较。
(5)建立了计算变压器三相出口短路电流的三维暂态场路耦合模型，通过联合求解电路和电磁场方程，得到了绕组的短路电流和电动力，并对不同短路时刻的短路电流和短路电动力进行了比较，指出了三相出口短路时的最严重短路角。分别建立了绕组轴向振动的三维和一维有限元模型，将短路磁场作用下的电动力作为轴向振动的载荷对其进行轴向机械稳定性分析和模态计算，并比较了两种模型的计算结果。最后制定了提高绕组稳定性的设计流程。