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变压器空载损耗

电力工程名词

空载损耗是指当变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率正弦波形的额定电压时，所消耗的有功功率。空载损耗即不变损失。与通过的电流无关，但与元件所承受的电压有关。影响变压器空载性能的因素很多，如硅钢片的材料性能，加工工艺及装备、铁芯的结构形式等。

简介
变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，降低其电能损耗对电网具有重要的经济意义。空载损耗是变压器的重要参数，只要投入电网，不论空载还是带多大负荷，空载损耗都是一样的，空载损耗与变压器带负荷多少无关。只要变压器常年接在电源上，空载损耗就存在，它需要长期消耗能量，可见降低空载损耗的必要性。
影响变压器空载性能的因素很多，如硅钢片的材料性能，加工工艺及装备、铁芯的结构形式等。要制造出空载损耗更低的变压器，一方面要用单位损耗更低的硅钢片；另一方面要改进结构和提高制造工艺水平。但不能单纯靠使用单位损耗更低的硅钢片来降低空载损耗，这样会增加铁芯制造成本。而通过改进结构和提高制造工艺水平降低空载损耗，既能够节约材料，又能节约成本和能源，只有在结构和工艺水平已经改进还不能满足性能需要的情况下，才采用单位损耗更低的硅钢片。
变压器的空载损耗
要降低变压器的空载损耗，就要了解空载损耗的组成，每部分的影响因素。针对这些因素，采取一些可行的方法达到降低空载损耗的目的。变压器的空载损耗主要由铁芯片中的磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗组成。
1.磁滞损耗
由于铁芯受交变电流周期性变化的影响，铁磁材料偶极子的排列也随着作周期性变化并产生磁滞现象，因而产生铁芯交变磁化的功率损失，通常称磁滞损耗。
2.涡流损耗
当穿过铁芯的磁通变化时，在铁芯内就会产生涡流，它环流于与磁通向量垂直的平面内。涡流所产生的磁化力总是力图阻止原有的磁化力的变化，因而产生涡流损耗。
3.铁芯附加损耗
铁芯的附加损耗大小主要由以下因素决定：
（1）材质特性。如硅钢片的方向特性、加工劣化特性及绝缘膜的特性等。
（2）设计结构。如铁芯接缝形式、铁芯叠积方式、铁芯搭接宽度等。
（3）工艺加工。如冲剪加工的尺寸精度和毛刺大小、硅钢片在搬运和叠装过程中的轻拿轻放以及叠装质量等。
降低空载损耗的方法
通过对空载损耗的分析，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗主要是由硅钢片生产企业决定的，附加损耗是由变压器制造企业决定的。铁芯磁通密度是影响变压器铁芯空载损耗的重要参数，因此，要降低空载损耗，在铁芯有效截面不变的前提下，必须使铁芯各个部分的磁通密度分布趋于均匀，降低铁芯拐角处局部磁通密度。
1.交错接缝改为三阶接缝
由于变压器铁芯硅钢片接缝存在间隙，磁通经过接缝处磁阻突然增大，磁通只好绕开接缝间隙，穿过片间进入相邻叠片，从而局部磁路加大，且穿越片间磁阻增大，同时也使相邻叠片局部磁密增大，导致空载损耗与励磁容量增大。
变压器铁芯接缝级数越多，接缝区的局部损耗越低，但是局部损耗的降低幅度越小，而铁芯叠片种数、硅钢片剪切和铁芯叠装工时及铁芯叠片的工艺难度将随着接缝级数的增加而增加。
在实用上，考虑到随着级数的增加，硅钢片剪切和铁芯叠装工时都相应增加，叠片工艺性变坏。考虑如果采用三级接缝，选用合适的片型，芯柱只增加一种片型，工艺复杂程度稍有增加而磁性能又明显改善。铁芯三级接缝就是由三种型式叠片轮流叠成。根据冶金电修企业的工艺水平及接缝处磁性能数据，采用三级接缝是改善交错接缝铁芯的较理想选择。
以S9- 800/10和S9- 1000/10电力变压器为例，同种变压器采用相同的设计方案、结构和材料，铁芯采用不同的搭接方式，其中800kVA4台采用交错接缝3台采用三级接缝，1000kVA2台采用交错接缝3台采用三级接缝。
通过试验数据，可以得出在铁芯柱截面不变的情况下，三级接缝比交错接缝空载损耗平均下降7%~8%左右。三级接缝只是芯柱增加一种片型，硅钢片的剪切和铁芯的叠装工时略有增加，但取得的成效是显著的。
2.减小铁芯搭接宽度，降低铁芯空载损耗
在铁芯叠片拐角处，芯柱片与横轭片接缝区搭接宽度的大小对变压器空载性能有一定的影响。搭接面积大，磁通穿过的区域便相应增大，从而造成空载损耗增大。根据铁芯模型试验得出，搭接面积每增加1%，45°接缝的空载损耗会增加0.3%。要降低空载损耗，必须研究在满足机械强度的前提下，选择空载损耗与机械强度都是最佳的搭接面积。
改变铁芯叠片塔接面积，减小铁芯中部分三角空穴的大小，降低三角空穴处的局部磁通密度，可以降低变压器空载损耗。我们公司配电变压器原来铁芯叠片出角为10mm，现已改为5mm，取得一定的降耗效果。铁芯叠片出角由10mm改为5mm，使铁芯拐角三角空穴处截面积增加，三角空穴处局部磁通密度必然降低。
3.合理选择铁芯片宽，减小铁芯角重，降低铁芯材料，降低空载损耗
铁芯的空载损耗与铁芯的单位铁损和铁芯的重量有关，而铁芯的角重又是铁芯重量的一部分，所以铁芯的角重不仅影响变压器的成本，而且直接影响变压器的空载损耗。
探讨铁芯片宽选择与铁芯角重变化规律的前提条件是：
（1）铁芯的级数必须相等。
（2）铁芯直径为D，铁芯的主级片宽按D减5mm或减10 mm来选择片形组合。由各级次的片宽和叠厚构成了不等的铁芯直径，两种铁芯最大一级差值控制在+0.3 mm 以下，即不能因为铁芯直径超差而影响绕组的套装。
（3）不同片形的铁芯有效截面积理论上相等。
这样做的目的可以保证选择相同的磁通密度，从而得到相同的单位铁损。
（4）铁芯柱截面的片宽和叠厚与铁芯轭截面必须一致。
在设计过程中，当确定了合适的铁芯直径后，选择主级铁芯的片宽时，建议选择片宽D减10mm的效果要优于D减5mm的效果，它的优点在于：
①各级片宽逐级递减；
②在保证铁芯有效截面积相等的情况下，铁芯的角重减少了；
③铁芯的高度降低10mm，油箱的整体高度也降低了10mm，变压器的用料也节省了。
总结
（1）铁芯采用多级接缝可降低变压器铁芯空载损耗，可以根据生产实际情况采取接缝级数，考虑变压器片型、工时、性能等方面，一般采用三级接缝即可。
（2）减小铁芯搭接面积，可以降低铁芯空载损耗。对于变压器可根据产品结构确定搭接面积的大小。
（3）合理选择铁芯片宽，减小铁芯角重，降低铁芯材料，降低空载损耗。在确定了铁芯直径后，选取主级片宽比直径小10mm的效果优于比直径小5mm的效果。
除了以上三个方面，在铁芯的制作过程当中，铁芯片毛刺大小、硅钢片在吊运过程中弯曲程度、碰撞程度、铁芯片的夹紧程度，都会影响变压器的空载损耗，这些情况也不容忽视。
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