干式變壓器空載溫升的簡(jiǎn)易估算

趙文麗

（海南金盤科技股份有限公司）

0 引言

干式配電變壓器作為電力系統(tǒng)的終端基礎(chǔ)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軌道交通、社區(qū)等各大領(lǐng)域中，具有損耗低、抗短路能力強(qiáng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。主要性能參數(shù)為空載損耗和負(fù)載損耗。隨著科技的發(fā)展，綠色節(jié)能的理念越來(lái)越得到國(guó)家的重視，國(guó)家對(duì)干式配電變壓器損耗的要求也越來(lái)越高?；谂潆娮儔浩鬏^長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)載運(yùn)行的工況條件，考慮到變壓器效率，需要變壓器的空載損耗值越低越好。2021年6月1日，新版的GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，標(biāo)志著配電變壓器也全面進(jìn)入了能效時(shí)代。

如下圖所示是針對(duì)歷年來(lái)各型號(hào)干式配電變壓器（以1000kVA為例）的空載損耗值變化曲線。

圖 各型號(hào)干式配電變壓器空載損耗值變化曲線

可以看出，每一次型號(hào)升級(jí)，都是以空載損耗值明顯降低作為典型標(biāo)志。

1 空載損耗降低的方式

空載損耗又稱鐵損，主要是由變壓器鐵心的硅鋼片產(chǎn)生的損耗，它的大小對(duì)變壓器的制造成本和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有較大的影響。降低空載損耗主要有兩種方式：一種方式是改善硅鋼片的生產(chǎn)和裝配工藝，減少異常損耗，如減少接縫大小、采用多步進(jìn)疊、消除切口毛刺等，但這方面對(duì)空載損耗提升的不明顯，而且無(wú)法采用量化的方式，不穩(wěn)定，波動(dòng)較大。另一種最主要的方式是采用較低單位鐵損的取向硅鋼片。如果想讓取向硅鋼片的單位鐵損降低，一方面可以降低磁密，但是因?yàn)榻档痛琶軙?huì)顯著增大鐵心的重量（也就相當(dāng)于變壓器的成本大幅增加），所以正常設(shè)計(jì)磁密以1.55～1.65T為宜，磁密過低將導(dǎo)致性價(jià)比很差，因此該方式的降低空間不大；另一方面可以選用更高牌號(hào)的取向硅鋼片，但這要取決于取向硅鋼片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從目前看，以前7型變壓器普遍采用的是140普通冷軋取向硅鋼片，而現(xiàn)在18型可以采用070磁疇細(xì)化高磁感取向硅鋼片，070牌號(hào)與140牌號(hào)相比，單位鐵損直接降低了50%以上，而兩種硅鋼片的價(jià)格差遠(yuǎn)低于50%，同時(shí)，采用低牌號(hào)的硅鋼片，硅鋼片用量更小，體積更小，也進(jìn)一步降低了空載損耗和成本?？梢钥闯觯儔浩餍吞?hào)的升級(jí)與取向硅鋼片的性能升級(jí)是一致的，如果沒有取向硅鋼片的性能優(yōu)化，想實(shí)現(xiàn)變壓器的空載損耗降低非常難。

2 變壓器溫升

變壓器溫升試驗(yàn)有三種方式，模擬負(fù)載法、相互負(fù)載法和直接負(fù)載法。對(duì)于干式變壓器，正常情況下均采用模擬負(fù)載法進(jìn)行，溫升值是通過短路試驗(yàn)（提供負(fù)載損耗）和空載試驗(yàn)（提供空載損耗）的組合來(lái)確定的，兩個(gè)試驗(yàn)分別得到負(fù)載繞組溫升和空載繞組溫升，再通過計(jì)算，可得變壓器的總溫升。對(duì)于自冷干式變壓器，變壓器總溫升與負(fù)載溫升和空載溫升的關(guān)系為：

式中，Δθ為變壓器總溫升；Δθ1為變壓器負(fù)載溫升；Δθ0為變壓器空載溫升。

本文主要研究的是低壓空載溫升Δθ0即鐵心對(duì)低壓線圈總溫升的影響。對(duì)于F級(jí)絕緣變壓器，低壓線圈的總溫升限值不能超過100K，而鐵心與低壓線圈的距離很近，影響較大。另一方面，不同型號(hào)的變壓器因采用不同牌號(hào)的取向硅鋼片，雖然散熱性能相同，但是空載損耗存在較大的差異，進(jìn)而導(dǎo)致鐵心對(duì)低壓線圈的空載溫升也存在較大的差異。因此，對(duì)鐵心對(duì)低壓線圈溫升的影響研究具有一定意義。

為了做到經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)，同時(shí)預(yù)留適當(dāng)裕度，Δθ一般為90～95K為宜。而負(fù)載溫升Δθ1可以通過同類型結(jié)構(gòu)的變壓器通過熱負(fù)荷進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)值轉(zhuǎn)換得出，這就需要對(duì)空載溫升進(jìn)行研究才能得出性價(jià)比較高的變壓器結(jié)構(gòu)。表1是為了達(dá)到相同的低壓總溫升95K，不同的空載溫升所對(duì)應(yīng)的低壓負(fù)載溫升大?。▎挝唬篕）。

表1 不同空載溫升對(duì)應(yīng)的低壓負(fù)載溫升

從表1可以看出，空載溫升每增加2K，負(fù)載溫升增加1～1.5K，空載溫升越低，負(fù)載溫升增加的越少。低壓負(fù)載溫升直接與繞組的用銅量相關(guān)，在保證性能的前提下，低壓負(fù)載溫升越高越好，變壓器才能做到越經(jīng)濟(jì)。因此，控制了低壓空載溫升，就可以選取合適的低壓負(fù)載溫升，以保證低壓總溫升不超過設(shè)計(jì)要求。

3 低壓空載溫升的簡(jiǎn)易表征值

低壓空載溫升存在非常多的影響因素，很難通過數(shù)學(xué)量精確的計(jì)算出來(lái)，只能采用熱仿真的方式，但熱仿真存在工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，為了快速實(shí)現(xiàn)變壓器設(shè)計(jì)，需要選取有一個(gè)簡(jiǎn)易表征值結(jié)合已有的空載溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)估算的目的。

現(xiàn)在需要對(duì)影響空載溫升的鐵心結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進(jìn)行研究。經(jīng)分析，鐵心對(duì)低壓空載溫升產(chǎn)生影響的性能參數(shù)有：鐵心直徑D，鐵心重量G，空載損耗P0。這三個(gè)參數(shù)直接影響了鐵心的溫升。

同時(shí)，空載溫升Δθ0與鐵心的發(fā)熱及鐵心的散熱面積有關(guān)?？蛰d溫升正比于鐵心的發(fā)熱，反比于散熱面積，而鐵心的發(fā)熱即空載損耗，即：Δθ0∝P0/散熱面積。而鐵心的散熱面積為鐵心的表面積，即磁路長(zhǎng)度×鐵心周長(zhǎng)，即正比于磁路長(zhǎng)度×D，因?yàn)殍F心重量G正比于鐵心截面積×磁路長(zhǎng)度，即正比于磁路長(zhǎng)度×D2，可知：鐵心重量G／散熱面積∝D，即鐵心散熱面積∝G/D。結(jié)合得：Δθ0∝P0×D/G。故，P0×D/G的值可以作為空載溫升的簡(jiǎn)易表征值。

表2是某公司不同容量結(jié)構(gòu)相近但損耗差異較大（使用不同牌號(hào)的取向硅鋼片）的變壓器鐵心簡(jiǎn)易表征值所對(duì)應(yīng)的空載溫升經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 空載溫升經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，很容易得到鐵心的三個(gè)性能參數(shù)，進(jìn)而得出簡(jiǎn)易表征值，然后結(jié)合空載溫升經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算出近似的空載溫升大小。再進(jìn)一步選取合適的負(fù)載溫升，以達(dá)到性價(jià)比最優(yōu)。

4 影響低壓線圈溫升的其他因素

簡(jiǎn)易表征值的結(jié)論僅適用于相似結(jié)構(gòu)的變壓器低壓線圈空載溫升估算，對(duì)于結(jié)構(gòu)差異較大的，需綜合考慮其他因素。比如，對(duì)于相同的變壓器，當(dāng)?shù)蛪旱借F心的距離由10mm增加到15mm時(shí)，但材質(zhì)由高牌號(hào)更換為次等牌號(hào)，此時(shí)簡(jiǎn)易表征值增大了約15%，因?yàn)橹虚g的散熱空間增加了50%，所以，實(shí)際的低壓空載溫升反而有所下降，這與之前的結(jié)論存在沖突，尤其需要在設(shè)計(jì)時(shí)注意。另外，低壓線圈溫升還與高壓線圈的溫升、低壓線圈到上下軛鐵的距離、低壓線圈到高壓線圈的距離也有一定的影響，如果這些值與經(jīng)驗(yàn)值差異很大，就有必要把這些影響因素也考慮進(jìn)去。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了空載溫升簡(jiǎn)易表征值的概念，并利用簡(jiǎn)易表征值可以對(duì)相似結(jié)構(gòu)的干式變壓器進(jìn)行快速估算變壓器空載溫升及其對(duì)低壓線圈總溫升的影響。該方法可以大大提高設(shè)計(jì)的有效性，縮短設(shè)計(jì)周期，做到變壓器的性價(jià)比最優(yōu)。但是，該方法還是屬于估算范圍，還需要在熱仿真的快速應(yīng)用技術(shù)上取得突破，以適應(yīng)變壓器快速設(shè)計(jì)的實(shí)際情況。