降低電力變壓器空載損耗的方法

陳名英

（中國水利水電第八工程局，湖南長沙 410001）

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)中最主要的電氣設(shè)備，其能耗的降低對于電網(wǎng)高效運(yùn)行具有重大意義。在進(jìn)行電力變壓器空載損耗形成原理及影響因素分析的基礎(chǔ)上，提出電力變壓器空載損耗主要包括磁滯損耗、渦流損耗和鐵芯附加損耗等具體形式，并對引起和影響各種空載損耗類型的主要因素進(jìn)行分析，最后從變壓器鐵芯混合疊裝、控制鐵芯搭接寬度、采用階梯接縫等角度提出電力變壓器空載損耗降低及控制措施。

1 電力變壓器空載損耗概述

空載損耗為電力變壓器設(shè)備的重要控制參數(shù)，其取值大小與變壓器負(fù)荷無關(guān)，也就是說只要變壓器投入電網(wǎng)，無論空載還是帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，空載損耗均一致。影響電力變壓器空載損耗的因素主要有鐵芯結(jié)構(gòu)、加工工藝、硅鋼片材料性能等，為降低電力變壓器空載損耗，最好使用單位損耗低的硅鋼片材料，同時改進(jìn)其結(jié)構(gòu)形式和制造工藝水平。但是，單純依靠低能耗材料的使用反而會使鐵芯制造成本增大，而通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式及制造工藝水平，既能節(jié)省材料成本，又能取得較好的變壓器空載損耗降低效果。

在實(shí)踐中，主要通過改進(jìn)鐵芯結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鐵芯搭接方式、調(diào)整搭接寬度，改變鐵芯片寬等降低電力變壓器空載損耗[1]。

2 電力變壓器空載損耗的組成

為取得最佳的電力變壓器空載損耗降低效果，必須充分了解其空載損耗的組成情況及各部分可能的影響因素，并有針對性地采取措施，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。電力變壓器空載損耗主要包括磁滯損耗、渦流損耗、鐵芯附加損耗等部分。

（1）磁滯損耗：電力變壓器鐵芯在交變電流周期性變化的影響下，其鐵磁材料偶極子的排列也隨之表現(xiàn)出明顯的周期性變動，在磁滯現(xiàn)象的影響下引發(fā)其鐵芯交變磁化功率損失，即為磁滯損耗。

（2）渦流損耗：鐵芯內(nèi)穿過的磁通發(fā)生變化，則會引發(fā)鐵芯內(nèi)產(chǎn)生渦流，并圍繞垂直于磁通向量的平面環(huán)流。這種渦流引發(fā)的磁化力對原磁化力所產(chǎn)生的阻止和抑制性作用即為渦流損耗。電力變壓器渦流損耗與硅鋼片厚度的平方成正比，通過控制硅鋼片厚度，就能取得較優(yōu)的渦流損耗降低效果；但是硅鋼片厚度降低還會同時引起疊片系數(shù)下降，增大沖剪和疊裝的工時。

（3）鐵芯附加損耗：電力變壓器鐵芯附加損耗主要受硅鋼片方向特性、絕緣膜特性、加工裂化特性等材質(zhì)特性因素，鐵芯接縫形式、鐵芯疊加方式、搭接寬度等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)因素，沖剪尺寸、毛刺、疊裝質(zhì)量等加工工藝因素的影響。

3 降低電力變壓器空載損耗的方法

在上述電力變壓器空載損耗組成形式中，電力變壓器鐵芯磁滯損耗和渦流損耗主要由硅鋼片生產(chǎn)企業(yè)決定，變壓器鐵芯附加損耗則由變壓器制造企業(yè)決定，所以電力變壓器生產(chǎn)企業(yè)和制造企業(yè)是控制變壓器空載損耗的主體[2]。

3.1 控制鐵芯搭接寬度

電力變壓器鐵芯疊片拐角處的橫軛片和芯柱片搭接寬度對變壓器空載損耗有一定程度的影響，搭接面積越大，則磁通所穿過區(qū)域的面積越大，空載損耗也越大。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)搭接面積每增大1%時，接縫角度45°處的空載損耗會增大0.3%，所以，必須在機(jī)械強(qiáng)度得以滿足的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度和空載損耗達(dá)到最佳的搭接面積的確定。為此，提出調(diào)整變壓器鐵芯疊片搭接面積的方案，即減小鐵芯中部三角空穴面積，并使三角空穴處磁通密度降低，旁軛搭接寬度為芯柱截面的47%，主軛搭接寬度為芯柱截面的53%，既能確保鐵芯強(qiáng)度，又能改善鐵芯磁通分配，控制磁通偏離方向，降低空載損耗。從變壓器鐵芯出角在芯柱片寬中的占比來看，出角改進(jìn)后三角空穴處鐵芯承載能力提升，既使鐵芯疊片拐角處磁通偏離硅鋼片軋制方向區(qū)的面積減小，又有利于鐵芯磁通均勻分布。

出角的減小還使磁力線與硅鋼片軋制方向的偏離程度減輕，阻力做功減小，變壓器鐵芯附加損耗降低，并且當(dāng)邊柱截面、旁軛和主軛截面面積不相等時，損耗降低效果更為明顯。

3.2 變壓器鐵芯混合疊裝

在進(jìn)行電力變壓器鐵芯疊裝時，每層主要放置1～3 片疊片，且疊片數(shù)量越多，接縫處氣隙截面積越大，引發(fā)接縫處磁通密度的畸變程度也越大。磁通密度發(fā)生畸變后導(dǎo)致接縫處硅鋼片磁通密度變大以及空載損耗增大。按照這一過程來看，一片一疊的方式所引起的接縫處磁通密度的畸變最小，空載損耗也最小，但是一片一疊的情況下疊片工時和插軛工時均增大，對于大容量鐵芯并不適用，反而會因插裝不到位而使空載損耗增大，所以大容量鐵芯通常采用兩片一疊。

混合疊片是降低電力變壓器鐵芯空載損耗并節(jié)省疊片工時和插軛工時的鐵芯疊片新方法，即在鐵芯總厚度1/3 部分一片一疊，在外部1/3 部分兩片一疊，最外側(cè)1/3 部分三片一疊，不增加總的疊裝工作量，并能有效降低電力變壓器鐵芯空載損耗和空載電流，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同疊片數(shù)量與鐵芯空載損耗和空載電流的關(guān)系

電力變壓器鐵芯內(nèi)的磁通密度分布并不均勻，且中間部分磁通密度通常比額定值低，外部磁通密度比額定值高。這也為降低空載損耗提供了思路，即通過調(diào)整鐵芯疊裝使鐵芯各部分磁通密度趨于均勻分布。鐵芯中間部分磁通密度低，所以一片一疊，以增加磁通密度，而鐵芯外部磁通密度高，則三片一疊，以降低磁通密度。

3.3 采用階梯接縫形式

磁性鋼片磁導(dǎo)率比空氣大，所以接縫處的磁通將直接通過鐵芯進(jìn)入相鄰疊片，當(dāng)相鄰疊片磁通飽和后才會穿過空氣隙，為最大限度降低空載損耗，應(yīng)將疊片接縫錯開呈階梯形布置。根據(jù)試驗(yàn)可知，隨著電力變壓器鐵芯接縫級數(shù)的增多，區(qū)域內(nèi)局部損耗呈降低趨勢，但是硅鋼片剪切、鐵芯疊裝工時、疊片加工難度等隨之增大。在三級接縫形式下，通過加強(qiáng)片型的合理選擇，并在芯柱中只使用一種片型，在略微增加工藝復(fù)雜程度的情況下便能顯著改善磁性能。所以，使用三級接縫形式是理想的改善交錯接縫鐵芯的做法。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)鐵芯柱截面不變時，三級接縫形式空載損耗比交錯接縫形式下降9%～10%，在三級接縫形式下芯柱僅增加1 種片型，剪切硅鋼片、疊裝鐵芯的施工難度略微增大，但是取得的空載損耗降低成效較為顯著。

如果采用五級接縫形式，則接縫處橫截面積顯著增大，接縫處磁通密度顯著降低，空載損耗隨之降低。此外，五級接縫形式還使拐角處磁通偏離硅鋼片釓制方向的區(qū)域面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致磁力線偏離硅鋼片釓制方向的數(shù)量減少，鐵芯附加損耗以更大幅度降低。但是五級接縫形式下，剪切硅鋼片、疊裝鐵芯的施工難度和工藝復(fù)雜程度會顯著增大，綜合考慮施工難度、工藝復(fù)雜程度及空載損耗降低幅度，推薦使用三級接縫形式（圖1）。

圖1 鐵芯三級接縫磁力線

4 結(jié)束語

綜上所述，電力變壓器空載損耗主要包括磁滯損耗、渦流損耗和鐵芯附加損耗等形式，且各種損耗形式均主要與鐵芯疊裝方式、鐵芯搭接寬度及磁性鋼片接縫形式等有關(guān)，改變鐵芯疊片數(shù)量并采取變壓器鐵芯混合疊裝、控制鐵芯搭接面積、并采用三級階梯式接縫形式均能有效降低電力變壓器空載損耗。除以上因素外，變壓器鐵芯制作過程中鐵芯毛刺大小、硅鋼片彎曲程度、鐵芯片夾緊程度等因素也會對其空載損耗產(chǎn)生不同程度的影響，應(yīng)當(dāng)予以重視。