變壓器空載損耗

變壓器是電力系統中最重要的電氣設備之一，降低其電能損耗對電網具有重要的經濟意義。空載損耗是變壓器的重要參數，只要投入電網，不論空載還是帶多大負荷，空載損耗都是一樣的，空載損耗與變壓器帶負荷多少無關。只要變壓器常年接在電源上，空載損耗就存在，它需要長期消耗能量，可見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、鐵芯的結構形式等。要製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；另一方面要改進結構和提高製造工藝水平。但不能單純靠使用單位損耗更低的硅鋼片來降低空載損耗，這樣會增加鐵芯製造成本。而通過改進結構和提高製造工藝水平降低空載損耗，既能夠節約材料，又能節約成本和能源，只有在結構和工藝水平已經改進還不能滿足性能需要的情況下，才採用單位損耗更低的硅鋼片 ^[1]  。

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。針對這些因素，採取一些可行的方法達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

由於鐵芯受交變電流週期性變化的影響，鐵磁材料偶極子的排列也隨着作週期性變化併產生磁滯現象，因而產生鐵芯交變磁化的功率損失，通常稱磁滯損耗。

2.渦流損耗

當穿過鐵芯的磁通變化時，在鐵芯內就會產生渦流，它環流於與磁通向量垂直的平面內。渦流所產生的磁化力總是力圖阻止原有的磁化力的變化，因而產生渦流損耗。

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）設計結構。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。如衝剪加工的尺寸精度和毛刺大小、硅鋼片在搬運和疊裝過程中的輕拿輕放以及疊裝質量等 ^[2]  。

通過對空載損耗的分析，鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗主要是由硅鋼片生產企業決定的，附加損耗是由變壓器製造企業決定的。鐵芯磁通密度是影響變壓器鐵芯空載損耗的重要參數，因此，要降低空載損耗，在鐵芯有效截面不變的前提下，必須使鐵芯各個部分的磁通密度分佈趨於均勻，降低鐵芯拐角處局部磁通密度。

1.交錯接縫改為三階接縫

由於變壓器鐵芯硅鋼片接縫存在間隙，磁通經過接縫處磁阻突然增大，磁通只好繞開接縫間隙，穿過片間進入相鄰疊片，從而局部磁路加大，且穿越片間磁阻增大，同時也使相鄰疊片局部磁密增大，導致空載損耗與勵磁容量增大。

變壓器鐵芯接縫級數越多，接縫區的局部損耗越低，但是局部損耗的降低幅度越小，而鐵芯疊片種數、硅鋼片剪切和鐵芯疊裝工時及鐵芯疊片的工藝難度將隨着接縫級數的增加而增加。

在實用上，考慮到隨着級數的增加，硅鋼片剪切和鐵芯疊裝工時都相應增加，疊片工藝性變壞。考慮如果採用三級接縫，選用合適的片型，芯柱只增加一種片型，工藝複雜程度稍有增加而磁性能又明顯改善。鐵芯三級接縫就是由三種型式疊片輪流疊成。根據冶金電修企業的工藝水平及接縫處磁性能數據，採用三級接縫是改善交錯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，同種變壓器採用相同的設計方案、結構和材料，鐵芯採用不同的搭接方式，其中800kVA4台採用交錯接縫3台採用三級接縫，1000kVA2台採用交錯接縫3台採用三級接縫。

通過試驗數據，可以得出在鐵芯柱截面不變的情況下，三級接縫比交錯接縫空載損耗平均下降7%~8%左右。三級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搭接寬度的大小對變壓器空載性能有一定的影響。搭接面積大，磁通穿過的區域便相應增大，從而造成空載損耗增大。根據鐵芯模型試驗得出，搭接面積每增加1%，45°接縫的空載損耗會增加0.3%。要降低空載損耗，必須研究在滿足機械強度的前提下，選擇空載損耗與機械強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鐵芯疊片出角為10mm，現已改為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，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律的前提條件是：

（1）鐵芯的級數必須相等。

（2）鐵芯直徑為D，鐵芯的主級片寬按D減5mm或減10 mm來選擇片形組合。由各級次的片寬和疊厚構成了不等的鐵芯直徑，兩種鐵芯最大一級差值控制在+0.3 mm 以下，即不能因為鐵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。

在設計過程中，當確定了合適的鐵芯直徑後，選擇主級鐵芯的片寬時，建議選擇片寬D減10mm的效果要優於D減5mm的效果，它的優點在於：

①各級片寬逐級遞減；

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，變壓器的用料也節省了 ^[1]  。

（1）鐵芯採用多級接縫可降低變壓器鐵芯空載損耗，可以根據生產實際情況採取接縫級數，考慮變壓器片型、工時、性能等方面，一般採用三級接縫即可。

（2）減小鐵芯搭接面積，可以降低鐵芯空載損耗。對於變壓器可根據產品結構確定搭接面積的大小。

（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。在確定了鐵芯直徑後，選取主級片寬比直徑小10mm的效果優於比直徑小5mm的效果。

除了以上三個方面，在鐵芯的製作過程當中，鐵芯片毛刺大小、硅鋼片在吊運過程中彎曲程度、碰撞程度、鐵芯片的夾緊程度，都會影響變壓器的空載損耗，這些情況也不容忽視 ^[2]  。