變壓器的損耗研究與優化設計

曾清林

（廣州西門子變壓器有限公司）

變壓器的損耗研究與優化設計

曾清林

（廣州西門子變壓器有限公司）

變壓器損耗是當代物理科學領域的一個重要概念。電力變壓器不只是我國現在供電系統中的重要設備，也是供電系統中的故障頻發設備。本文針對變壓器空載損耗和負載損耗，參考一些重要文獻進行了較為深入的研究，推論出變壓器的空載損耗和負載損耗的合理測量方法。電力變壓器同時也是電子設備上開關電源的重要部件，變壓器的優化設計是提高開關電源功率的關鍵所在。本文從減小變壓器自身體積角度出發進行優化設計。

變壓器；損耗；優化設計

電力變壓器是目前我國國家電網中的主要電力設施，主要用于變換交流電壓大小的現代化電氣設備。從發電、電力輸送、分配電力等電力傳送整個過程都要通過變壓器這一主要設備來完成，電力這一能源在人類生活中的廣泛應用使得變壓器在電力系統中占據著主要地位，也助力了變壓器這一行業的快速發展。變壓器設計原理是依據電磁感應原理來進行變壓器設計制造，工作原理是把某一等級的交流電壓轉換成另外一等級的交流電壓來滿足不同電力負荷的需求。隨著我國目前自然資源的日益枯竭，降低變壓器各種損耗、提高變壓器自身的運行安全性和可靠性和實際工作效率以及優化變壓器設計成為當前一大熱點問題。

1 變壓器國內外現狀

我國國內變壓器制造由于受傳統制造理論以及不合理計算方法的限制，產品的安全性和可靠性問題日益突顯且未能找到解決方法；國內變壓器在產品設計過程中計算方面發展相對不均衡，一些技術性計算軟件均是從法國、日本、瑞典、德國等一些計算軟件發展較為成熟的國家引進。變壓器制造行業在我國是一個充滿發展前景的行業，同時充滿著機遇和挑戰；我國頒布的“七五”國家重點科學技術項目為降低變壓器的損耗以及優化設計曾投入相當大的人力和資金支持。只要不斷提高變壓器制造技術以及滿足設備安全性、可靠性這一前提，把握好變壓器市場動態，就能在這一行業取得成就。

2 變壓器損耗分析

變壓器是依據電磁感應原理設計的傳輸電能以及電信號的主要設備，其主要功能是傳輸功率和變換電壓等。在理想狀態下，變壓器在傳輸功率及變換電壓等過程中發生的損耗應為零。但是在實際傳輸以及變換過程中都有不同程度上的損耗出現：電流傳輸中的損耗，電磁的損耗，傳輸所需機械部件回路中的損耗等。變壓器的質量、機械強度、以及各種損耗的指標直接會影響到變壓器空載損耗和負載損耗值的大小。變壓器的損耗分布如圖1所示。

3 變壓器的空載損耗分析

空載損耗是變壓器的一個重要性能指標，是指變壓器一次繞組施加額定頻率額定電壓時，二次繞組空載所消耗的功率。主要包括三部分內容：一次繞組所產生的銅耗、變壓器鐵芯的勵磁損耗和渦流損耗。因為空載電流值比較小，一般情況下占額定電流值的5%左右，可以忽略不計，所以在理論情況下變壓器空載損耗數值等同于鐵芯損耗數值。

圖1

4 變壓器的負載損耗分析

變壓器的負載損耗是指在一對繞組中，當額定電流（分接電流）流經一個繞組的線路端子，且另一繞組短路時在額定頻率及參考溫度下所吸收的有功功率。變壓器的負載損耗也叫做銅損，除了繞組中通過電流產生的損耗外，一般實際情況中還存在其他的附加損耗；通常將繞組中產生的電阻損耗成為變壓器的基本負載損耗。在理論情況下，變壓器的負載損耗只是評判產品損耗程度和判斷產品質量的一個參考值，而不是實際工作中的真實損耗值。

一臺變壓器的空載損耗和短路損耗成反向變動關系，其它情況不變的情況下，當空載損耗數值越大，那么負載損耗就會越小；當一臺變壓器負載路損耗值較大時，可引發電流通過繞組時出現局部過熱現象使得繞組絕緣出現問題。所以電力變壓器的空載損耗和短路損耗數值應合理設計，而不能為了追求過低的空載損耗值而忽略負載損耗值的存在。

5 變壓器優化設計分析

設計變壓器是變壓器行業制造生產變壓器的首要工作，目前國內外變壓器制造行業均引進電子計算機科學技術對變壓器設計環節進行精密計算和研究。變壓器的設計環節較為復雜，包括了對變壓器機械材料，空載損耗和負載損耗數值的確定以及電路繞組等各種材料及數值的設計。變壓器進行優化設計是指在變壓器原有數據及型號的基礎上滿足國家標準規定的要求，對變壓器制造環節進行高質量設計，以降低變壓器制造的投入成本和提高變壓器的安全性和可靠性來更好的滿足客戶的不同需求。對變壓器進行優化設計不僅可以保證變壓器的安全性和可靠性，而且可以降低對制造變壓器原材料消耗的減少以及提高變壓器在實際工作中的工作效率。

變壓器優化設計分析過程是一個變量較多，優化過程中需要滿足的約束條件也較多的非常規性工程優化問題。一般的變壓器設計過程采用手工計算設計方法，但隨著計算機科學技術的發展和引進，變壓器設計開始進入計算機設計研發階段，利用計算機的計算分析能找出所有變量變動范圍內的可行設計方案。但隨著計算機科學技術的發展以及對變壓器要求的越來越高，變壓器設計行業所需考慮的設計工藝和制造生產相關因素也更多。除了機械材料和相關數值的確定外，還應考慮變壓器的綜合制造加工成本、電磁設計以及安全可靠性的提高等問題。因此，應尋找合適的方法對變壓器進行優化設計來滿足變壓器制造行業的不斷發展提出的更高要求。

變壓器的優化設計是目前國內變壓器制造行業所面臨的重點問題。變壓器的優化設計可以從兩個方面進行；①控制降低變壓器制造的初始制造成本；②對變壓器的繞組、空載損耗、負載損耗等各項性能進行優化設計。變壓器的優化設計首先要考慮電磁優化設計，指在滿足原有約束條件的基礎上，尋找最優設計變量使得制造變壓器所需的經濟指標最小。電磁優化設計的兩個關鍵因素是磁通密度和電流密度，這兩個因素直接影響到變壓器的電磁力大小和材料消耗的多少；當磁通密度較大時，則需要的匝數較少，也就是需要的銅消耗量較少，這也從根本上控制減少了變壓器制造的初始經濟成本。目前國內的變壓器空載損耗數值和負載損耗數值的確定一般是通過空載、短路試驗在離線狀態下測量得出的，這種方法浪費了大量的人力和財力，而且使供電中斷。對變壓器進行優化設計應實現對空載損耗和短路損耗數值實行在線測量，這樣既可滿足數值確定的要求，還能減少測量成本的投入。

6 結語

電力變壓器是目前我國國家電網中的主要電力設施，變壓器的損耗主要包括了空載損耗和負載損耗兩種。本文通過對目前國內變壓器制造行業的現狀分析以及對空載損耗和負載損耗兩種損耗的主要參數分析研究，提出了從降低控制初始成本和降低損耗等方法對電力變壓器進行優化設計，以滿足人們追求低損耗、高性能的變壓器的要求。本文雖經過查閱大量資料對變壓器的損耗以及優化設計進行了分析研究，但是這一焦點問題還值得進一步的深入研究分析。

[1]朱英浩.不斷提高變壓器的運行可靠性[J].變壓器，2012，3：173～174.

[2]路長柏，朱英浩，等.電力變壓器計算[J].黑龍江科學技術出版社，2012，7：142～143.

[3]謝琉城.《電力變壓器手冊》[J].北京：機械工業出版社，2013，9：94～95.

[4]李湘生，陳天喬.變壓器理論計算與優化設計[J].武漢：華中工學院出版社，2013，12：48～60.

TM41

A

1004-7344（2016）18-0243-02

2016-5-10

曾清林（1986-），男，本科，主要從事配電變壓器設計工作。