變壓器損耗的類型及解決措施研究

滕 悅

葫蘆島八家礦業(yè)股份有限公司，遼寧 葫蘆島 125316

0 引言

隨著社會的發(fā)展，無論是人們?nèi)粘Ｉ钸€是工業(yè)生產(chǎn)對于變壓器容量的需求不斷提升，對于變壓器的穩(wěn)定及可靠性的要求也越來越高。變壓器在增強電網(wǎng)運行效率和穩(wěn)定性的也帶來了較大的能量損耗[1]。在變壓器設(shè)計及運行過程中往往會涉及多個參數(shù)，如變壓器的損耗或者噪聲等。隨著變壓器容量的不斷增大，其穩(wěn)定性有所降低、能耗以及發(fā)熱問題將更為嚴(yán)重，為了更好地發(fā)揮變壓器的作用，研究大容量變壓器的穩(wěn)定性及損耗問題具有重要意義。節(jié)能型變壓器不僅實現(xiàn)了對變壓器各類參數(shù)的優(yōu)化，還降低了能耗。

1 變壓器的損耗類型

1.1 空載損耗

1.1.1 空載損耗的類型及影響因素

空載損耗主要是指鐵損，通常包含渦流、磁滯和附加損耗等。其中，渦流損耗主要是由于鐵心自身的金屬屬性再加上電磁感應(yīng)的作用而導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生一種環(huán)流，即渦流。因為鐵心內(nèi)部中有渦流通過以及鐵心自身的電阻影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)了渦流損耗。磁滯損耗主要由于鐵磁材料經(jīng)過了多次磁化而導(dǎo)致磁滯情況的發(fā)生。該損耗主要與磁滯回線面積及交變頻率等有關(guān)。附加損耗不僅與變壓器自身性能有關(guān)，還會受到其生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)等的影響[2]。通常情況下，附件損耗產(chǎn)生的原因主要包括機械加工過程中磁性能變差、磁通波形導(dǎo)致產(chǎn)生高次諧波分量及鐵心接縫影響等。

1.1.2 空載損耗的控制方法

空載損耗和磁通密度的平方呈正比關(guān)系，為此，可以通過降低磁通密度來有效降低空載損耗。在此過程中，主要通過增加鐵心的材料來降低磁密度，因此這一方法也將減小磁通密度降低的幅度。一般情況下主要采用的是高導(dǎo)磁冷軋硅鋼片。此鋼片具有方向性，當(dāng)其延展方向和磁力線的方向相同時，損耗最低；當(dāng)兩個方向之間角度為90°時，損耗最大。為此，對于普通鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器，必須注意鐵心柱及鐵扼轉(zhuǎn)角方向性，要防止造成直角接縫，盡可能地采用成斜角或者卷鐵心接縫。

1.2 負(fù)載損耗

1.2.1 負(fù)載損耗的類型及影響因素

負(fù)載損耗主要包括電阻及雜散損耗。其中，電阻損耗主要指的是負(fù)載電流在經(jīng)過變壓器線圈時，由于線圈自身的電阻而導(dǎo)致的損耗，計算方式為負(fù)載電流平方和線圈電阻的乘積。雜散損耗主要指的是負(fù)載電流所產(chǎn)生的漏磁通在線圈及結(jié)構(gòu)件中的損耗。該損耗的大小主要與漏磁通的值、分布以及線圈所采用導(dǎo)線的厚度、是否換位等有關(guān)。

1.2.2 負(fù)載損耗的控制方法

對于中小型變壓器而言，其電阻損耗的比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雜散損耗，而大型電力變壓器則是雜散損耗的比例較大。因此，對于大型變壓器的負(fù)載損耗，可以通過屏蔽磁場、對變壓器線圈進(jìn)行換位、替換導(dǎo)線、選用非磁性材料等方法來降低雜散損耗。例如，在大型變壓器中采用絕緣層壓板或者低導(dǎo)磁鋼板等材料來制造線圈壓板，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)件中的雜散損耗。但是此方式的修復(fù)費用較大，需要花費大量時間，還會產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)飛濺，并且會導(dǎo)致線圈導(dǎo)線及橫向漏磁通分量中的雜散損耗增加。因此，在實際應(yīng)用過程中主要采用的是磁屏蔽法。在線圈的材料不變的情況下，只能通過降低導(dǎo)線的電流密度來降低負(fù)載損耗，即通過提升導(dǎo)線的橫截面積來降低損耗。但是此種方式勢必會導(dǎo)致線圈的尺寸增大，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的體積或者重量增大。

2 降低電力變壓器損耗的措施

2.1 提高工作人員的技術(shù)水平

目前，我國電子電力變壓器的控制策略主要分為兩種，即“交-交-交”型及“交-直-交”型。但相關(guān)人員并沒有完全了解和掌握此方面的相關(guān)知識與技能。尤其是“交-直-交”型的控制策略，由于其在控制過程中涉及三維空間矢量調(diào)劑等的應(yīng)用，雖然提升了電能輸出效率，但也對相關(guān)人員的技能水平提出更高的要求。“交-交-交”型控制策略雖然會降低變壓器的能耗，但是如果相關(guān)人員操作失誤，將會造成不可挽回的損失，其對于操作人員的要求較高?；诖耍瑸榱烁玫匕l(fā)揮變壓器的作用，提升供電質(zhì)量，就必須加強對相關(guān)人員的培養(yǎng)，提升操作人員的專業(yè)技能，注重引進(jìn)掌握該兩種控制策略的人才。加強對相關(guān)人員的技能等專業(yè)知識的培訓(xùn)，并定期對其進(jìn)行思想教育，讓其充分且深刻地意識到降低變壓器損耗的重要作用，提升工作熱情，增強責(zé)任感。

2.2 采用新型低阻導(dǎo)線及線圈

2.2.1 選用超導(dǎo)材料

目前所用的高溫超導(dǎo)配電變壓器主要通過應(yīng)用超導(dǎo)性質(zhì)的材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)線，在降低損耗的還可以提升變壓器的抗短路電流的作用。以無氧銅導(dǎo)線為主的電阻率比較小的導(dǎo)線材料是當(dāng)前國內(nèi)外常用的導(dǎo)線，其在國外應(yīng)用得更加廣泛和普遍。此類材料在溫度20 ℃時電阻率只有0.016 Ω mm2/m，相比于電解銅，無氧銅導(dǎo)線的銅含量在92%～94%，選用無氧銅導(dǎo)線可以比較降低6%～8%的電阻損耗[3]。無氧銅導(dǎo)線兼具諸多優(yōu)點，而且超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用還能夠降低變壓器的電阻損耗。

2.2.2 采用新型繞組結(jié)構(gòu)和線圈布置方式

為了降低變壓器的損耗，需要積極采用新型繞組結(jié)構(gòu)及線圈的新型布置方式。新型繞組結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用自粘型換位導(dǎo)線來實現(xiàn)對漏磁走向的控制，可以有效降低損耗；新型線圈布置方式是根據(jù)電流的方向來科學(xué)合理地選擇線圈布置方式，進(jìn)而將渦流損耗控制在最低水平，降低變壓器運行損耗。此外，可以適當(dāng)?shù)販p少導(dǎo)線的長度，還可以在一定程度上縮短線圈的平均匝數(shù)，通過改型設(shè)計縮小鐵芯直徑，有效地提高鐵芯填充系數(shù)；可以選用小油隙、薄紙筒等工具，用絕緣隔板縮小油隙，縮短線圈的平均匝長；以組合和換位導(dǎo)線的方式降低并聯(lián)導(dǎo)線之間的絕緣性，也能夠達(dá)到減少線圈平均匝長的目的，從而有效地降低電阻的損耗。

2.3 利用先進(jìn)技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品性能

2.3.1 應(yīng)用現(xiàn)代化數(shù)控加工技術(shù)

在對變壓器鐵芯相關(guān)磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工的過程中，應(yīng)用現(xiàn)代化的數(shù)控加工技術(shù)不僅可以有效地控制磁體材料的厚度、截面形狀等，還可以精準(zhǔn)地控制材料尖角毛刺，從而降低變壓器空載損耗。通過精準(zhǔn)計算可以確定鐵芯絕緣結(jié)構(gòu)，且保證撐條、墊塊及金屬件倒角等形態(tài)良好；通過計算分析可以實現(xiàn)磁場及渦流分布的換位；應(yīng)用組裝式生產(chǎn)工藝可以將內(nèi)繞組直接纏繞在絕緣筒上，進(jìn)而實現(xiàn)高度、套裝間隙和直徑公差等的精準(zhǔn)控制，降低由于工藝操作而導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)空載及負(fù)載損耗的概率[4]。

2.3.2 選用卷繞式鐵芯結(jié)構(gòu)

對于中小型變壓器來說，可以選用卷繞式鐵芯結(jié)構(gòu)降低變壓空載損耗。該種結(jié)構(gòu)的鐵芯磁路完全平行于冷軋硅鋼片的壓延方向，可以充分發(fā)揮硅鋼片的導(dǎo)磁力，降低鐵芯的損耗。階梯接縫鐵芯疊片是一組7片彼此錯縫的疊片，一個鐵芯由許多組構(gòu)成。彼此相鄰的兩層疊片互相錯開，之間的接縫達(dá)到一定的尺寸，由此形成分級式接縫結(jié)構(gòu)[5]。在選用階梯接縫鐵芯疊片時，穿越鐵芯中的磁力線要在接縫處以階梯形纏繞，這不僅可以縮小接縫處的空氣間隙，還能降低交錯處的磁飽和，改善磁路導(dǎo)電狀態(tài)，在一定程度上降低空載損耗。

2.3.3 使用分析軟件

變壓器從本質(zhì)上來說是一種較復(fù)雜的靜止感應(yīng)電器，其主要由鐵芯和繞組等構(gòu)成。優(yōu)化變壓器性能指標(biāo)時需要綜合考慮離散關(guān)系和非線性關(guān)系。隨著對變壓器的研究不斷深入，各種專業(yè)軟件也愈發(fā)成熟，傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的誤差較大，使用分析軟件降低變壓器損耗已然成為一種趨勢。使用分析軟件可以校正和處理屏蔽位置，再加上優(yōu)質(zhì)原材料、工藝和技術(shù)等方面的幫助，變壓器的安全性和可靠性得到顯著提升，從而實現(xiàn)抗短路能力強、損耗低、局放低、溫升低和噪音低等特性[6]。

2.4 合理選擇配電變壓器容量

2.4.1 嚴(yán)格遵守變壓器容量選擇原則

在變壓器的選擇過程中必須全面考慮電力負(fù)荷，科學(xué)地選擇變壓器的型號，進(jìn)而確保變壓器運行損耗在最低范圍內(nèi)。能否科學(xué)合理地選擇配電變壓器的容量，直接關(guān)系到變壓器運行是否安全、經(jīng)濟。一般來說，在正式確定配電變壓器容量之前，要對單位的用電性質(zhì)、負(fù)荷狀態(tài)、用電設(shè)備數(shù)量、使用季節(jié)、使用時間、工作設(shè)備的需求、直接啟動電動機容量的最大值等進(jìn)行詳盡的調(diào)查和了解，為實現(xiàn)變壓器的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行打下基礎(chǔ)。對于配電變壓器容量的選擇要嚴(yán)格遵循以下兩個原則[7]。

（1）所選用的配電變壓器不宜容量過大。通常來說，供應(yīng)負(fù)荷的用量應(yīng)該占額定容量的75%左右。配電變壓器的容量要匹配直接啟動的電動機的最大容量，以確保電動機能夠順利安全地啟動，全壓啟動的異步電動機容量要小于等于配電變壓器容量的30%左右。在保證電動機啟動的同時，還要確保其他設(shè)備的電壓大于等于額定電壓的25%，不然就要以降壓的方式啟動。

（2）變壓器要具備安全性和經(jīng)濟性。

2.4.2 應(yīng)用節(jié)能型變壓器

淘汰高能耗、老舊的變壓器，加強對新型節(jié)能型變壓器的應(yīng)用。變壓器具有升壓、降壓、匹配阻抗及安全隔離等作用，其在低壓電網(wǎng)中發(fā)揮著不可替代的作用。使用節(jié)能型變壓器可以有效地降低線損，供電線路應(yīng)當(dāng)盡可能地使用節(jié)能型變壓器，尤其是對于長期超負(fù)荷的變壓器，更應(yīng)當(dāng)更換為節(jié)能型變壓器，由此降低線損。盡可能不使用或者少使用SL1、S2 及S7等高耗能的變壓器[8]。在選擇變壓器并聯(lián)經(jīng)濟運行方案的過程中，還要掌握變壓器負(fù)荷，通過計算分析變壓器負(fù)荷容量來實現(xiàn)負(fù)荷的均衡，降低變壓器在運行過程中的損耗；在變壓器運行中還要采取一定的散熱措施，降低高溫的影響。

2.5 降低附加損耗

2.5.1 降低渦流損耗

渦流損耗和線圈導(dǎo)線損耗的降低主要取決于渦流和環(huán)流損耗的降低。導(dǎo)線中漏磁場的渦流損耗和與漏磁方向垂直的導(dǎo)線尺寸平方呈正比。因此，為了降低渦流損耗，導(dǎo)線的尺寸不能過大。還可以選用雙連續(xù)式、雙糾結(jié)式并聯(lián)線段連接線圈的兩端，以降低端部導(dǎo)線中的渦流損耗。

2.5.2 降低環(huán)流損耗

在變壓器的實際工作中，多根導(dǎo)線并聯(lián)繞制線圈比較常見，要對其進(jìn)行換位。要以完全換位的方法降低多根導(dǎo)線并聯(lián)產(chǎn)生的環(huán)流損耗。換位導(dǎo)線的選用可以降低20%～30%的環(huán)流損耗，而且無須在繞制線圈時換位，縮短繞線的時間，顯著地提高線圈的安全性和可靠性[9]。

2.5.3 引線偏磁通形成附加損耗的降低

線圈和引線的漏磁場共存，在引線漏磁場周圍的鋼材上會形成很多附加損耗，與雜散損耗的比值在5%～10%。因此，要求引線與油箱壁、鋼材之間的距離要大于等于銅排的寬度，還要盡量地縮短銅排之間的間距。此外，要防止相鄰引線出現(xiàn)瞬時電流漏磁疊加的情況，以有效地降低附加損耗。

3 結(jié)束語

綜上所述，作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，變壓器的損耗直接關(guān)乎整個電力系統(tǒng)的運行效率，為此可以通過提高工作人員的技術(shù)水平、采用新型低阻導(dǎo)線及線圈、改進(jìn)制造工藝、合理選擇變壓器容量及降低附加損耗等方式來降低變壓器損耗。