降低变压器负载损耗的分析与措施

本文针对变压器的负载时漏磁场的特点，着重讨论了线圈附加损耗及杂散损耗。其中线圈导线线规选择，绕线换位方式的采用，安匝排列的优劣对线圈的附加损耗影响很大。因此提出了降低线圈附加损耗的措施。同时对于杂散损耗的分布特点及变化规律也做了详细的分析，并提出了相应的改进措施和方法。

　　关键词：变压器;负载损耗;漏磁场;分析;措施

　　一、前言

　　变压器是电能的传输设备，在变压器运行的过程中，其空载损耗与负载损耗始终存在并消耗掉一定的电能。为了适应远距离传输电的要求，现代变压器的发展趋势是向超高压、超大容量变压器方向发展，其损耗的绝对值是很大的，因此，降低变压器的空载、负载损耗，改善性能指标，提高运行效率来达到节能增效的目的为越来越多的变压器生产、使用厂家和单位所重视。

　　变压器负载运行时，绕组内通过电流，由于导线存在电阻，因此将在导线及引线中产生直流电阻损耗，同时，由于漏磁场的存在，漏磁通将在线圈的导线中产生杂散损耗(包括导线的涡流损耗及不完全换位引起的环流损耗)，及其他钢铁结构件中的杂散损耗。变压器的负载损耗即包括以上几部分。

　　因变压器空载损耗与铁心硅钢片的材质及叠片方式有关，且有很多著作对其进行了分析，本文不再论述。下面从如何降低变压器的负载损耗方面做了初步的分析与探讨，并提出了一些相应的工艺方法。

　　二、线圈及引线电阻损耗

　　1. 线圈导线的电阻损耗：其值按下式计算：

　　Pr=m I2R W (1)

　　对于小容量配电变压器来说，负载损耗主要是绕组和引线的直流电阻损耗，由漏磁场引起的杂散损耗比例很小，计算式如下：

　　Pf =Pr×Kf / 100 W (2)

　　Kf为杂散损耗百分数，其值选取3%--8%。有时其杂散损耗可忽略不计。

　　2. 引线电阻损耗

　　当电流通过引线时，由于引线有电阻，从而产生引线损耗，它可用占线圈电阻损耗的百分数表示：

　　Py=Pr×Ky / 100 W (3)

　　式中Pr为线圈直流电阻损耗(W)，Ky为引线损耗百分数，当电流较大时，引线经过的铁件内会产生较大的涡流损耗，其损耗值需要我们注意。　三、线圈附加损耗的分析、计算

　　1. 涡流损耗

< SPAN style="color:; FONT-family: Tahoma, Arial, sans-serif; FONT-size: 14px; line-height: 30px; text-align: justify; ">　　变压器绕组通过电流时，除了在铁心中产生链接主、副绕组的主磁通外，还产生只链接自身的漏磁通，这部分漏磁通过空气铁心或其他金属件闭合。大容量变压器运行时，绕组的安匝会产生很大的漏磁场。此时绕组的导线均处在漏磁场中，根据楞次定律，在闭合回路中产生感应电流(称为涡流)，从而在导线中产生涡流损耗。在绕组范围内，漏磁通大部分是轴向分布的，但在绕组端部及安匝不平衡部分，也有幅向分量，这两个分量均会在绕组导线内产生涡流损耗。

　　1.1 轴向漏磁涡流损耗

　　当不考虑涡流影响时，我们假定轴向漏磁通密度随绕组宽度成线性分布如图(1)，因纵向漏磁分布与线圈的几何尺寸有关，即在线圈端部及外径侧，漏磁不按直线分布，而是发散，而且线圈外部磁路具有一定的磁阻，最大轴向漏磁通密度也将减小，因此工程计算中，用下面公式表示：

　　Bm=1.78×IWρ / Hx ×10 –4 T (4)

　　式中，ρ —洛氏系数 ，IW为安匝数，Hx为线圈电抗高度(cm)。

　　上式中是假定在绕组所占的空间里，轴向漏磁通是相等的，因此轴向漏磁通在绕组中产生的涡流损耗与导线厚度的平方成正比。

图 1 在漏磁场中的导线

　　应当注意，如果变压器为三绕组变压器，且运行方式为内—外绕组运行时，虽然中间绕组没有电流流过，由于它处于内—外绕组的主漏磁空道之中，即位于最大纵向漏磁场位置处，也存在涡流损耗。该处的磁场与图1不同，不是斜线分布，而是可近似看成均匀分布，根据推导，其涡流损耗为按斜线分布时的3倍。

　　1.2 幅向漏磁涡流损耗

　　由于漏磁通是由二次线圈磁势和与其相平衡的一次线圈磁势负载分量共同产生。根据变压器的磁势平衡定律可知，变压器的磁势总是平衡的，但由于纵绝缘结构要求线圈的起始部分加强绝缘，或有调压线段，使一、二次线圈在整个高度上的安匝分布并不完全处于平衡状态。即在一些区域里，一次线圈的安匝数大于二次线圈的安匝数，而在另一些区域里，二次线圈的安匝数大于一次线圈的安匝数。每一区域里的一二次线圈等效安匝相平衡，而平衡的磁势将产生漏磁通，所以在一二次线圈所占据的空间里还有一种流通方向与线圈轴向方向相垂直的漏磁通，称为幅向漏磁通，它在线圈的导线中也产生涡流损耗

　　幅向漏磁通比纵向漏磁通小很多，但在特大容量变压器中，幅向漏磁通要占一定的比例，因此由它产生的涡流损耗也不可忽视。工程上的计算也可参照纵向漏磁的计算方法。

　　k fw =k×102(b Br /δ)2×(f / 50)2 (5)

　　式中b——导线宽度 (mm)

　　δ——导线中的电流密度(A/mm2)

　　Br——主漏磁空道磁密幅值(T)

　　文献[3]针对变压器不平衡安匝对幅向漏磁产生的影响做了分析。可知，除绕组端部外，纵向漏磁分布与不平衡安匝相似。同时高低压绕组的幅向漏磁分布在主空道内存在一个分界带，分界带两侧的幅向漏磁各自闭合。即低压绕组的幅向漏磁由心柱及上下铁轭闭合，并对其漏磁起主要作用;外绕组的幅向漏磁通过外部气隙闭合，并对其漏磁起主要作用。由于内绕组与铁心柱 距离较近，其磁路的磁阻较小，磁导大，因此内绕组的幅向漏磁比外绕组的幅向漏磁大约1倍，为减小端部的幅向漏磁，可适当增加高低压线圈的轴向高度差，来制约铁心柱及上下铁轭所引起的横向漏磁以改善变压器性能参数。　2. 漏磁场对环流损耗的影响

　　当绕组电流比较大时，为减少涡流损耗，以及便于绕制线圈，导线被分成数根截面积较小的导线并联。因漏磁通在导线中感应出电动势，并联导线在漏磁场中的位置不同，此电动势的大小也不同，从而在并联导线中会引起循环电流，所产生的损耗，称为环流损耗。

　　为减少环流损耗，需要对并联导线进行换位，使并联导线回路中的漏电势大小相等，方向相反，从而使并联导线中不出现循环电流，称为完全换位;有时并联导线根数较多，换位后仍存在循环电流，称为不完全换位。

　　对于多根并联导线的不完全换位，需计算其由不完全换位引起的环流损耗。同样，我们忽略漏磁场畸变，现讨论单螺旋式线圈的环流耗计算。当并绕根数较多时，单螺旋线圈进行一次标准换位及“212”换位的环流损耗均远远大于“242”换位，因此工程上只采用“242”换位。其计算公式如下(推导略)：

　　Kb=kbcm(fasWρ / Hx)2 (6)

　　对于连续式线圈，若导线并联根数为两根时，换位是完全的，超过三根时，则是不完全换位，计算其损耗仍可采用(6)式

　　同时可看出，对于同一种换位，并联导线数越多，涡流损耗降低，环流耗将增加，但总的杂散损耗还是下降。并联导线多，对于螺旋式线圈来说，施工及绕制难度上并未变化，但连续式线圈却要增加底位及连位的换位次数，工艺性不好。这样，针对三根以上并联导线的连续式绕组的换位提出了两种典型的完全换位方式。如下图(2)所示：