【科普】變壓器空載損耗具體介紹

電力變壓器視界

2021年7月20日 14:32

導(dǎo)讀

空載損耗是指當(dāng)變壓器二次繞組開(kāi)路，一次繞組施加額定頻率正弦波形的額定電壓時(shí)，所消耗的有功功率。空載損耗即不變損失。與通過(guò)的電流無(wú)關(guān)，但與元件所承受的電壓有關(guān)。影響變壓器空載性能的因素很多，如硅鋼片的材料性能，加工工藝及裝備、鐵芯的結(jié)構(gòu)形式等。

一

簡(jiǎn)介

變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備之一，降低其電能損耗對(duì)電網(wǎng)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。空載損耗是變壓器的重要參數(shù)，只要投入電網(wǎng)，不論空載還是帶多大負(fù)荷，空載損耗都是一樣的，空載損耗與變壓器帶負(fù)荷多少無(wú)關(guān)。只要變壓器常年接在電源上，空載損耗就存在，它需要長(zhǎng)期消耗能量，可見(jiàn)降低空載損耗的必要性。

影響變壓器空載性能的因素很多，如硅鋼片的材料性能，加工工藝及裝備、鐵芯的結(jié)構(gòu)形式等。要制造出空載損耗更低的變壓器，一方面要用單位損耗更低的硅鋼片；另一方面要改進(jìn)結(jié)構(gòu)和提高制造工藝水平。但不能單純靠使用單位損耗更低的硅鋼片來(lái)降低空載損耗，這樣會(huì)增加鐵芯制造成本。而通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)和提高制造工藝水平降低空載損耗，既能夠節(jié)約材料，又能節(jié)約成本和能源，只有在結(jié)構(gòu)和工藝水平已經(jīng)改進(jìn)還不能滿足性能需要的情況下，才采用單位損耗更低的硅鋼片。

二

變壓器的空載損耗

要降低變壓器的空載損耗，就要了解空載損耗的組成，每部分的影響因素。針對(duì)這些因素，采取一些可行的方法達(dá)到降低空載損耗的目的。變壓器的空載損耗主要由鐵芯片中的磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗組成。

1.磁滯損耗

由于鐵芯受交變電流周期性變化的影響，鐵磁材料偶極子的排列也隨著作周期性變化并產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象，因而產(chǎn)生鐵芯交變磁化的功率損失，通常稱磁滯損耗。

2.渦流損耗

當(dāng)穿過(guò)鐵芯的磁通變化時(shí)，在鐵芯內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流，它環(huán)流于與磁通向量垂直的平面內(nèi)。渦流所產(chǎn)生的磁化力總是力圖阻止原有的磁化力的變化，因而產(chǎn)生渦流損耗。

3.鐵芯附加損耗

鐵芯的附加損耗大小主要由以下因素決定：

（1）材質(zhì)特性。如硅鋼片的方向特性、加工劣化特性及絕緣膜的特性等。

（2）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。如鐵芯接縫形式、鐵芯疊積方式、鐵芯搭接寬度等。

（3）工藝加工。如沖剪加工的尺寸精度和毛刺大小、硅鋼片在搬運(yùn)和疊裝過(guò)程中的輕拿輕放以及疊裝質(zhì)量等。

三

降低空載損耗的方法

通過(guò)對(duì)空載損耗的分析，鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗主要是由硅鋼片生產(chǎn)企業(yè)決定的，附加損耗是由變壓器制造企業(yè)決定的。鐵芯磁通密度是影響變壓器鐵芯空載損耗的重要參數(shù)，因此，要降低空載損耗，在鐵芯有效截面不變的前提下，必須使鐵芯各個(gè)部分的磁通密度分布趨于均勻，降低鐵芯拐角處局部磁通密度。

1.交錯(cuò)接縫改為三階接縫

由于變壓器鐵芯硅鋼片接縫存在間隙，磁通經(jīng)過(guò)接縫處磁阻突然增大，磁通只好繞開(kāi)接縫間隙，穿過(guò)片間進(jìn)入相鄰疊片，從而局部磁路加大，且穿越片間磁阻增大，同時(shí)也使相鄰疊片局部磁密增大，導(dǎo)致空載損耗與勵(lì)磁容量增大。

變壓器鐵芯接縫級(jí)數(shù)越多，接縫區(qū)的局部損耗越低，但是局部損耗的降低幅度越小，而鐵芯疊片種數(shù)、硅鋼片剪切和鐵芯疊裝工時(shí)及鐵芯疊片的工藝難度將隨著接縫級(jí)數(shù)的增加而增加。

在實(shí)用上，考慮到隨著級(jí)數(shù)的增加，硅鋼片剪切和鐵芯疊裝工時(shí)都相應(yīng)增加，疊片工藝性變壞。考慮如果采用三級(jí)接縫，選用合適的片型，芯柱只增加一種片型，工藝復(fù)雜程度稍有增加而磁性能又明顯改善。鐵芯三級(jí)接縫就是由三種型式疊片輪流疊成。根據(jù)冶金電修企業(yè)的工藝水平及接縫處磁性能數(shù)據(jù)，采用三級(jí)接縫是改善交錯(cuò)接縫鐵芯的較理想選擇。

以S9- 800/10和S9- 1000/10電力變壓器為例，同種變壓器采用相同的設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)和材料，鐵芯采用不同的搭接方式，其中800kVA4臺(tái)采用交錯(cuò)接縫3臺(tái)采用三級(jí)接縫，1000kVA2臺(tái)采用交錯(cuò)接縫3臺(tái)采用三級(jí)接縫。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出在鐵芯柱截面不變的情況下，三級(jí)接縫比交錯(cuò)接縫空載損耗平均下降7%~8%左右。三級(jí)接縫只是芯柱增加一種片型，硅鋼片的剪切和鐵芯的疊裝工時(shí)略有增加，但取得的成效是顯著的。

2.減小鐵芯搭接寬度，降低鐵芯空載損耗

在鐵芯疊片拐角處，芯柱片與橫軛片接縫區(qū)搭接寬度的大小對(duì)變壓器空載性能有一定的影響。搭接面積大，磁通穿過(guò)的區(qū)域便相應(yīng)增大，從而造成空載損耗增大。根據(jù)鐵芯模型試驗(yàn)得出，搭接面積每增加1%，45°接縫的空載損耗會(huì)增加0.3%。要降低空載損耗，必須研究在滿足機(jī)械強(qiáng)度的前提下，選擇空載損耗與機(jī)械強(qiáng)度都是最佳的搭接面積。

改變鐵芯疊片塔接面積，減小鐵芯中部分三角空穴的大小，降低三角空穴處的局部磁通密度，可以降低變壓器空載損耗。我們公司配電變壓器原來(lái)鐵芯疊片出角為10mm，現(xiàn)已改為5mm，取得一定的降耗效果。鐵芯疊片出角由10mm改為5mm，使鐵芯拐角三角空穴處截面積增加，三角空穴處局部磁通密度必然降低。

3.合理選擇鐵芯片寬，減小鐵芯角重，降低鐵芯材料，降低空載損耗

鐵芯的空載損耗與鐵芯的單位鐵損和鐵芯的重量有關(guān)，而鐵芯的角重又是鐵芯重量的一部分，所以鐵芯的角重不僅影響變壓器的成本，而且直接影響變壓器的空載損耗。

探討鐵芯片寬選擇與鐵芯角重變化規(guī)律的前提條件是：

（1）鐵芯的級(jí)數(shù)必須相等。

（2）鐵芯直徑為D，鐵芯的主級(jí)片寬按D減5mm或減10 mm來(lái)選擇片形組合。由各級(jí)次的片寬和疊厚構(gòu)成了不等的鐵芯直徑，兩種鐵芯最大一級(jí)差值控制在+0.3 mm 以下，即不能因?yàn)殍F芯直徑超差而影響繞組的套裝。

（3）不同片形的鐵芯有效截面積理論上相等。

這樣做的目的可以保證選擇相同的磁通密度，從而得到相同的單位鐵損。

（4）鐵芯柱截面的片寬和疊厚與鐵芯軛截面必須一致。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)確定了合適的鐵芯直徑后，選擇主級(jí)鐵芯的片寬時(shí)，建議選擇片寬D減10mm的效果要優(yōu)于D減5mm的效果，它的優(yōu)點(diǎn)在于：

①各級(jí)片寬逐級(jí)遞減；

②在保證鐵芯有效截面積相等的情況下，鐵芯的角重減少了；

③鐵芯的高度降低10mm，油箱的整體高度也降低了10mm，變壓器的用料也節(jié)省了。