關(guān)于電力變壓器損耗的探討

秦軍偉 劉俊寶

河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

由于發(fā)電系統(tǒng)受絕緣材料和散熱等方面的限制，發(fā)電機(jī)的輸出額定電壓多為10.5kV和18.5kV，采用這種較低的電壓將電能從發(fā)電站輸送到遙遠(yuǎn)的用戶很不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)楫?dāng)輸送一定功率的電能時(shí)，電壓越低，電流越大，線路的損耗和壓降也越大，為了減少線路損耗和壓降，雖然可以通過增大輸電線路的截面積進(jìn)行解決，但卻使初投資增加很多。如果使用升壓電力變壓器將發(fā)電機(jī)輸出的電壓升高到幾十千伏或幾百千伏再進(jìn)行輸送，就可以大大減小輸電電流，從而解決線路損耗和壓降與輸電線路截面積之間的矛盾。同時(shí)，各種用電設(shè)備由于考慮到合適的絕緣水平和人身安全，電壓都是比較低的，這就需要利用降壓變壓器，將輸電網(wǎng)的高電壓變換成用電設(shè)備匹配的低電壓。

1 變壓器的工作原理和分類

1.1 變壓器工作原理

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，即在一個(gè)閉合的鐵芯上裝有兩個(gè)匝數(shù)不同并互相絕緣的繞組，其中一次繞組與電網(wǎng)連接，二次繞組與負(fù)載連接。當(dāng)一次繞組接通交流電源時(shí)，其中就會(huì)有交流電流通過，在鐵芯中產(chǎn)生與電源頻率相同的交變磁通，在繞組中感應(yīng)出交變電動(dòng)勢。一次繞組是自感電動(dòng)勢，二次繞組是互感電動(dòng)勢。二次繞組有了感應(yīng)電動(dòng)勢，如果接上負(fù)載，便可以向負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)能量從一次繞組到二次繞組的傳遞[1]。總結(jié)為一句話就是，電力變壓器從電網(wǎng)吸取能量，通過電磁感應(yīng)原理，以磁通為媒介，將能量傳遞給負(fù)載。

1.2 變壓器分類

變壓器按照用途、冷卻方式等可以分為多種，其中主要用于輸電、配電、用電部門是電力變壓器，占到變壓器產(chǎn)品中大部分。電力變壓器根據(jù)實(shí)際使用需求，又可以分為油浸式和干式，其中油浸式絕緣和散熱性能好，主要為大容量變壓器，做主變用；干式體積較小，安裝維護(hù)簡單，主要為小容量變壓器，做站用變或車間變較多。

2 電力變壓器的運(yùn)行特性

2.1 外特性

外特性是指一次側(cè)電源電壓和負(fù)載功率因數(shù)均為常量時(shí)，二次側(cè)電壓隨負(fù)載電流變化而變化的曲線。對于純電阻負(fù)載和電感性負(fù)載，二次側(cè)電壓隨負(fù)載電流增大而降低；對于電容性負(fù)載，二次側(cè)電壓隨負(fù)載電流的增大而升高。在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常在二次側(cè)安裝電容柜，用于補(bǔ)償負(fù)載增大而造成的二次側(cè)電壓降，維持電力變壓器二次側(cè)的穩(wěn)定，提供供電可靠性[2]。

2.2 效率特性

變壓器在運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生損耗，主要分為銅損耗和鐵損耗兩大類，兩者又分別包括基本損耗和附加損耗?；俱~損是電流在一二次繞組的直流電阻引起的損耗，附加銅損主要指由于漏磁通引起的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使導(dǎo)線的有效截面積減小、電阻增大引起的損耗。銅損與負(fù)載電流的二次方成正比，隨負(fù)載變化而變化，也可稱為可變損耗?；捐F損是變壓器鐵芯中的磁滯和渦流損耗，附加鐵損包括疊片間由于絕緣損傷引起的局部損耗、接縫處磁通密度不均勻引起的損耗和主磁通在結(jié)構(gòu)件中引起的渦流損耗等。鐵損近似與電源電壓二次方成正比，而電源電壓可以認(rèn)為是恒定的，鐵損近似不變，也可稱為固定損耗。在中小型變壓器中，附加銅損/鐵損通常比基本銅損/鐵損小很多。在大型變壓器中，附加損耗較大，在制造時(shí)往往采取導(dǎo)體換位、油箱內(nèi)壁采用鋁板/硅鋼片進(jìn)行電磁屏蔽或采用非磁性壓板、夾件等措施，以提高效率。

2.3 功率流導(dǎo)過程與損耗

電源從一次繞組輸入，電功率為P1，其中很小一部分消耗于一次側(cè)的銅損和鐵損，絕大部分傳遞給二次繞組，又有一小部分消耗于二次側(cè)銅損和附加損耗，絕大部分供給負(fù)載P2。變壓器應(yīng)分別做空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，其中空載試驗(yàn)是變壓器在空載狀態(tài)下進(jìn)行的試驗(yàn)，主要測定變比k、空載電流Io、空載損耗po和勵(lì)磁阻抗zm；短路試驗(yàn)是指變壓器一次側(cè)接電源、二次側(cè)短路進(jìn)行的試驗(yàn)，主要測定短路電阻、短路電抗和短路損耗[3]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的銅損、鐵損等損耗情況，變壓器實(shí)際效率可以表述為μ=P2/P×100%=（P1-Σp）/P1×100%=（1-Σp/P1）×100%=[1-Σp/（P2+Σp）]×100%。（說明：Σp為鐵損+銅損之和）

2.4 變壓器損耗計(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樽儔浩鞯男屎芨?，測量儀表本身存在誤差，不適宜通過直接測量求差取得，并且用帶載的方法測量損耗不經(jīng)濟(jì)。因此工程上常用間接法測定效率。以常年帶載且負(fù)荷變動(dòng)不大的化工廠為例，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)，同時(shí)變壓器負(fù)載率取60%，變壓器投運(yùn)時(shí)間取360天/年，電費(fèi)按0.6元/度計(jì)算，采用以下公式進(jìn)行年損耗計(jì)算：

C y = { 3 6 0 × 2 4 ×[ P o +（ 0 .0 5 ×I o × S n ）÷100]+360×24×0.6×[Pk×0.6+（0.05×Uk×Sn）÷100]}×0.6

公式說明：Po— —空載損耗，kW；

Pk— —負(fù)載損耗，kW；

Sn— —額定容量，kVA；

Uk— —短路阻抗百分?jǐn)?shù)，%；

Io— —空載電流百分?jǐn)?shù)，%；

3 變壓器損耗的差異性

對于大容量電力變壓器，通常選擇油浸式，常年接在電網(wǎng)上，負(fù)載因時(shí)間和季節(jié)不同而有所變化，不可避免的會(huì)出現(xiàn)輕載運(yùn)行的情況，雖然輕載是銅損會(huì)減小，但鐵損并不因此而減小，所以減小鐵損對減小全年的能量損耗有利。對于終端用戶的車間變壓器，通常容量不大，一般選擇干式變壓器，根據(jù)車間的生產(chǎn)特性，變壓器帶載情況不一樣，以化工廠為例，其工序?yàn)檫B續(xù)生產(chǎn)性質(zhì)，且用電負(fù)荷穩(wěn)定，則降低銅損和鐵損的重要程度一樣。

4 結(jié)語

電力變壓器在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，極大地提升了電能輸送效率，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供能源支持。所以電力系統(tǒng)中選擇能效較高的變壓器對提高電力輸送效率意義重大。