變壓器損耗的類型及解決措施研究

滕 悅

葫蘆島八家礦業股份有限公司，遼寧 葫蘆島 125316

0 引言

隨著社會的發展，無論是人們日常生活還是工業生產對于變壓器容量的需求不斷提升，對于變壓器的穩定及可靠性的要求也越來越高。變壓器在增強電網運行效率和穩定性的也帶來了較大的能量損耗[1]。在變壓器設計及運行過程中往往會涉及多個參數，如變壓器的損耗或者噪聲等。隨著變壓器容量的不斷增大，其穩定性有所降低、能耗以及發熱問題將更為嚴重，為了更好地發揮變壓器的作用，研究大容量變壓器的穩定性及損耗問題具有重要意義。節能型變壓器不僅實現了對變壓器各類參數的優化，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的作用而導致其內部產生一種環流，即渦流。因為鐵心內部中有渦流通過以及鐵心自身的電阻影響，導致其出現了渦流損耗。磁滯損耗主要由于鐵磁材料經過了多次磁化而導致磁滯情況的發生。該損耗主要與磁滯回線面積及交變頻率等有關。附加損耗不僅與變壓器自身性能有關，還會受到其生產工藝、結構等的影響[2]。通常情況下，附件損耗產生的原因主要包括機械加工過程中磁性能變差、磁通波形導致產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磁冷軋硅鋼片。此鋼片具有方向性，當其延展方向和磁力線的方向相同時，損耗最低；當兩個方向之間角度為90°時，損耗最大。為此，對于普通鐵心結構的變壓器，必須注意鐵心柱及鐵扼轉角方向性，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 負載損耗

1.2.1 負載損耗的類型及影響因素

負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載電流在經過變壓器線圈時，由于線圈自身的電阻而導致的損耗，計算方式為負載電流平方和線圈電阻的乘積。雜散損耗主要指的是負載電流所產生的漏磁通在線圈及結構件中的損耗。該損耗的大小主要與漏磁通的值、分布以及線圈所采用導線的厚度、是否換位等有關。

1.2.2 負載損耗的控制方法

對于中小型變壓器而言，其電阻損耗的比例要遠遠高于雜散損耗，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載損耗，可以通過屏蔽磁場、對變壓器線圈進行換位、替換導線、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磁鋼板等材料來制造線圈壓板，進而降低結構件中的雜散損耗。但是此方式的修復費用較大，需要花費大量時間，還會產生大量的結構飛濺，并且會導致線圈導線及橫向漏磁通分量中的雜散損耗增加。因此，在實際應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，只能通過降低導線的電流密度來降低負載損耗，即通過提升導線的橫截面積來降低損耗。但是此種方式勢必會導致線圈的尺寸增大，進而導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。但相關人員并沒有完全了解和掌握此方面的相關知識與技能。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劑等的應用，雖然提升了電能輸出效率，但也對相關人員的技能水平提出更高的要求?！敖?交-交”型控制策略雖然會降低變壓器的能耗，但是如果相關人員操作失誤，將會造成不可挽回的損失，其對于操作人員的要求較高。基于此，為了更好地發揮變壓器的作用，提升供電質量，就必須加強對相關人員的培養，提升操作人員的專業技能，注重引進掌握該兩種控制策略的人才。加強對相關人員的技能等專業知識的培訓，并定期對其進行思想教育，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，增強責任感。

2.2 采用新型低阻導線及線圈

2.2.1 選用超導材料

目前所用的高溫超導配電變壓器主要通過應用超導性質的材料來代替傳統導線，在降低損耗的還可以提升變壓器的抗短路電流的作用。以無氧銅導線為主的電阻率比較小的導線材料是當前國內外常用的導線，其在國外應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，無氧銅導線的銅含量在92%～94%，選用無氧銅導線可以比較降低6%～8%的電阻損耗[3]。無氧銅導線兼具諸多優點，而且超導體技術的應用還能夠降低變壓器的電阻損耗。

2.2.2 采用新型繞組結構和線圈布置方式

為了降低變壓器的損耗，需要積極采用新型繞組結構及線圈的新型布置方式。新型繞組結構主要應用自粘型換位導線來實現對漏磁走向的控制，可以有效降低損耗；新型線圈布置方式是根據電流的方向來科學合理地選擇線圈布置方式，進而將渦流損耗控制在最低水平，降低變壓器運行損耗。此外，可以適當地減少導線的長度，還可以在一定程度上縮短線圈的平均匝數，通過改型設計縮小鐵芯直徑，有效地提高鐵芯填充系數；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；以組合和換位導線的方式降低并聯導線之間的絕緣性，也能夠達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 利用先進技術優化產品性能

2.3.1 應用現代化數控加工技術

在對變壓器鐵芯相關磁體結構進行加工的過程中，應用現代化的數控加工技術不僅可以有效地控制磁體材料的厚度、截面形狀等，還可以精準地控制材料尖角毛刺，從而降低變壓器空載損耗。通過精準計算可以確定鐵芯絕緣結構，且保證撐條、墊塊及金屬件倒角等形態良好；通過計算分析可以實現磁場及渦流分布的換位；應用組裝式生產工藝可以將內繞組直接纏繞在絕緣筒上，進而實現高度、套裝間隙和直徑公差等的精準控制，降低由于工藝操作而導致變壓器出現空載及負載損耗的概率[4]。

2.3.2 選用卷繞式鐵芯結構

對于中小型變壓器來說，可以選用卷繞式鐵芯結構降低變壓空載損耗。該種結構的鐵芯磁路完全平行于冷軋硅鋼片的壓延方向，可以充分發揮硅鋼片的導磁力，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成。彼此相鄰的兩層疊片互相錯開，之間的接縫達到一定的尺寸，由此形成分級式接縫結構[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，改善磁路導電狀態，在一定程度上降低空載損耗。

2.3.3 使用分析軟件

變壓器從本質上來說是一種較復雜的靜止感應電器，其主要由鐵芯和繞組等構成。優化變壓器性能指標時需要綜合考慮離散關系和非線性關系。隨著對變壓器的研究不斷深入，各種專業軟件也愈發成熟，傳統經驗公式的誤差較大，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，再加上優質原材料、工藝和技術等方面的幫助，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荷，科學地選擇變壓器的型號，進而確保變壓器運行損耗在最低范圍內。能否科學合理地選擇配電變壓器的容量，直接關系到變壓器運行是否安全、經濟。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、負荷狀態、用電設備數量、使用季節、使用時間、工作設備的需求、直接啟動電動機容量的最大值等進行詳盡的調查和了解，為實現變壓器的安全、穩定、經濟運行打下基礎。對于配電變壓器容量的選擇要嚴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，供應負荷的用量應該占額定容量的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濟性。

2.4.2 應用節能型變壓器

淘汰高能耗、老舊的變壓器，加強對新型節能型變壓器的應用。變壓器具有升壓、降壓、匹配阻抗及安全隔離等作用，其在低壓電網中發揮著不可替代的作用。使用節能型變壓器可以有效地降低線損，供電線路應當盡可能地使用節能型變壓器，尤其是對于長期超負荷的變壓器，更應當更換為節能型變壓器，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]。在選擇變壓器并聯經濟運行方案的過程中，還要掌握變壓器負荷，通過計算分析變壓器負荷容量來實現負荷的均衡，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

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

2.5.2 降低環流損耗

在變壓器的實際工作中，多根導線并聯繞制線圈比較常見，要對其進行換位。要以完全換位的方法降低多根導線并聯產生的環流損耗。換位導線的選用可以降低20%～30%的環流損耗，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瞬時電流漏磁疊加的情況，以有效地降低附加損耗。

3 結束語

綜上所述，作為電力系統的重要組成部分，變壓器的損耗直接關乎整個電力系統的運行效率，為此可以通過提高工作人員的技術水平、采用新型低阻導線及線圈、改進制造工藝、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。