變壓器磁場損耗與溫度散布分析

李彥林 甘雨田 尹瀟

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020）

在輸變電系統(tǒng)中，變壓器是比較貴重的電氣設(shè)備，占據(jù)重要的地位。目前，我國輸變電系統(tǒng)中運行的變壓器，普遍存在負(fù)載率低、空載損耗較高的情況?？蛰d損耗作為變壓器運行的主要參數(shù)，與所帶負(fù)荷的多少無關(guān)。對變壓器磁場損耗與溫度散布進行分析，對促進電力網(wǎng)運行的經(jīng)濟性，節(jié)省能源，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 變壓器的磁場損耗

變壓器在運行時，由于電磁感應(yīng)的作用，處在交變磁場中的鐵芯會產(chǎn)生渦流，這種渦流在變壓器被轉(zhuǎn)化為熱量直接釋放在變壓器的內(nèi)部，這種損耗叫做鐵損。外圍繞制變壓器使用的銅線存在著電阻，當(dāng)電流流過時，銅線中的電阻會消耗一定的功率，這部分損耗變成熱量而消耗，這種損耗叫做銅損。

變壓器損耗，主要是鐵損和銅損。變壓器的鐵損，包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗三個方面，變壓器的銅損，主要是變壓器繞組的損耗，包含直流損耗與交流損耗。

鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 B與H關(guān)系曲線

圖1中的原點O，表示磁化之前，鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即B=H=O。當(dāng)外磁場H從零開始增加時，磁感應(yīng)強度B，也隨之緩慢上升，如線段落0a所示；隨后，隨著H的增大，磁感應(yīng)強度B的增長極為迅速，如段落ab所示；再往后，隨著H的繼續(xù)增大，磁感應(yīng)強度B的增長又緩慢下來；當(dāng)H值增至Hs時，磁感應(yīng)強度B的值達到Bs，曲線oabs，為起始磁化曲線。

關(guān)于磁心損耗的計算方法，涉及的參數(shù)很多，而且不同的廠商，其損耗曲線也是差異很大的，查曲線是最好的辦法。鐵氧體磁芯損耗曲線如圖2所示。

圖2 鐵氧體磁芯損耗曲線

變壓器空載的時候也是有激磁電流的，激磁電流用來產(chǎn)生磁場。主要損耗在于激磁電流造成的銅損（激磁電流流過變壓器繞做寄生電阻造成的損耗）和鐵損（磁滯和渦流損耗）?？蛰d的時候，變壓器的一側(cè)還是有電壓的。變壓器是由一次和二次線圈組成的，線圈電感很大，但是還是有部分電阻的，其三相本身可以構(gòu)成回路，有電壓，加之線圈也有一定的電阻，這時候會有一定的熱損耗，這就是變壓器的銅損；另外，線圈有電流，這部分電流在硅鋼片中會形成磁回路，因為有磁回路，所以在變壓器另一側(cè)才有感應(yīng)電壓，但是電流形成的這部分磁回路，絕大部分是順著硅鋼片內(nèi)部流動，硅鋼片本身有一定的磁阻，這時候會形成磁滯損耗，還有一部分會與變壓器中的其他物比如空氣或者變壓器油形成磁回路，而這部分能量也會損耗掉，這部分實際損耗的很小，很多情況下可以忽略，由磁場的產(chǎn)生而形成的這部分能量損耗，就是變壓器的鐵損。變壓器40KHz工作頻率下空載特性曲線如圖3所示。

圖3 40KHz空載特性曲線

我們知道，其他的半導(dǎo)體的損耗是可以測量和計算的。例如，電源輸入為50W，輸出為45W，實際的測試效率為90%。那么損耗為5W。我們分別計算或者測量整流二極管、橋堆、EMI元件、MOSFET等等，用5W減去這些損耗，最后即可得出變壓器的損耗。

2 變壓器的溫度散布

在變壓器運行過程中，其電磁場損耗，以及線圈中電流的流動，它們產(chǎn)生的電能損耗轉(zhuǎn)化為熱能，并不斷擴散，導(dǎo)致變壓器的溫度升高，容易引起變壓器設(shè)備的絕緣被破壞，加快設(shè)備老化，縮短使用年限，影響系統(tǒng)可靠運行。

鐵損和銅損是變壓器工作溫度升高的主要原因，變壓器的溫度變化，及其他零部件運行時，在交變應(yīng)力持續(xù)作用下，會產(chǎn)生熱應(yīng)力與變形，會造成變壓器內(nèi)部各種微觀和宏觀元件之間承受熱機械應(yīng)力，其機械、電氣性能會衰減，逐漸喪失其所具有的絕緣性能，縮短變壓器的使用壽命。為此，就要對溫升損耗進行分析，對設(shè)計進行優(yōu)化。

前期在設(shè)計變壓器時，我們有一個粗略的計算，一般是先設(shè)定整機的效率，然后假定變壓器的效率。但是產(chǎn)品做出來了，發(fā)現(xiàn)效率不夠，這時就要做精確的計算了，驗證變壓器的效率是否達到設(shè)計的要求，是否需要進行優(yōu)化。

變壓器在正常運行中本身存在空載損耗和負(fù)載損耗，這些損耗都全部轉(zhuǎn)換能熱量，如果這些熱量不讓它散發(fā)出去，積累起來就會造成變壓器溫度過高，變壓器的壽命就會大幅減少甚至燒毀，因此要進行冷卻。此外還要考慮變壓器的溫度散布，即散熱的布局。我們前期設(shè)計出來的產(chǎn)品，都是很粗糙的，在散熱方面考慮的較少，如果可以準(zhǔn)確的知道各個元件的損耗數(shù)據(jù)，在利用這些數(shù)據(jù)進行熱仿真，在布板的時候可以更加優(yōu)化，合理的布局，可以最大限度的散熱，降低各元件的溫度。

綜上所述，變壓器是輸變電系統(tǒng)中較為重要且較貴重的電氣設(shè)備。分析掌握變壓器的磁場損耗和溫度分布，對變壓器設(shè)計和制造至關(guān)重要，有助于變壓器的安全可靠運行，最大限度的延長變壓器的使用壽命，節(jié)約能源。