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    变压器损耗的类型及解决措施研究

    时间：2023-01-25 09:00:07来源：百花范文网本文已影响人

    滕 悦

    葫芦岛八家矿业股份有限公司，辽宁 葫芦岛 125316

    随着社会的发展，无论是人们日常生活还是工业生产对于变压器容量的需求不断提升，对于变压器的稳定及可靠性的要求也越来越高。变压器在增强电网运行效率和稳定性的也带来了较大的能量损耗[1]。在变压器设计及运行过程中往往会涉及多个参数，如变压器的损耗或者噪声等。随着变压器容量的不断增大，其稳定性有所降低、能耗以及发热问题将更为严重，为了更好地发挥变压器的作用，研究大容量变压器的稳定性及损耗问题具有重要意义。节能型变压器不仅实现了对变压器各类参数的优化，还降低了能耗。

    1.1 空载损耗

    1.1.1 空载损耗的类型及影响因素

    空载损耗主要是指铁损，通常包含涡流、磁滞和附加损耗等。其中，涡流损耗主要是由于铁心自身的金属属性再加上电磁感应的作用而导致其内部产生一种环流，即涡流。因为铁心内部中有涡流通过以及铁心自身的电阻影响，导致其出现了涡流损耗。磁滞损耗主要由于铁磁材料经过了多次磁化而导致磁滞情况的发生。该损耗主要与磁滞回线面积及交变频率等有关。附加损耗不仅与变压器自身性能有关，还会受到其生产工艺、结构等的影响[2]。通常情况下，附件损耗产生的原因主要包括机械加工过程中磁性能变差、磁通波形导致产生高次谐波分量及铁心接缝影响等。

    1.1.2 空载损耗的控制方法

    空载损耗和磁通密度的平方呈正比关系，为此，可以通过降低磁通密度来有效降低空载损耗。在此过程中，主要通过增加铁心的材料来降低磁密度，因此这一方法也将减小磁通密度降低的幅度。一般情况下主要采用的是高导磁冷轧硅钢片。此钢片具有方向性，当其延展方向和磁力线的方向相同时，损耗最低；
    当两个方向之间角度为90°时，损耗最大。为此，对于普通铁心结构的变压器，必须注意铁心柱及铁扼转角方向性，要防止造成直角接缝，尽可能地采用成斜角或者卷铁心接缝。

    1.2 负载损耗

    1.2.1 负载损耗的类型及影响因素

    负载损耗主要包括电阻及杂散损耗。其中，电阻损耗主要指的是负载电流在经过变压器线圈时，由于线圈自身的电阻而导致的损耗，计算方式为负载电流平方和线圈电阻的乘积。杂散损耗主要指的是负载电流所产生的漏磁通在线圈及结构件中的损耗。该损耗的大小主要与漏磁通的值、分布以及线圈所采用导线的厚度、是否换位等有关。

    1.2.2 负载损耗的控制方法

    对于中小型变压器而言，其电阻损耗的比例要远远高于杂散损耗，而大型电力变压器则是杂散损耗的比例较大。因此，对于大型变压器的负载损耗，可以通过屏蔽磁场、对变压器线圈进行换位、替换导线、选用非磁性材料等方法来降低杂散损耗。例如，在大型变压器中采用绝缘层压板或者低导磁钢板等材料来制造线圈压板，进而降低结构件中的杂散损耗。但是此方式的修复费用较大，需要花费大量时间，还会产生大量的结构飞溅，并且会导致线圈导线及横向漏磁通分量中的杂散损耗增加。因此，在实际应用过程中主要采用的是磁屏蔽法。在线圈的材料不变的情况下，只能通过降低导线的电流密度来降低负载损耗，即通过提升导线的横截面积来降低损耗。但是此种方式势必会导致线圈的尺寸增大，进而导致变压器的体积或者重量增大。

    2.1 提高工作人员的技术水平

    目前，我国电子电力变压器的控制策略主要分为两种，即“交-交-交”型及“交-直-交”型。但相关人员并没有完全了解和掌握此方面的相关知识与技能。尤其是“交-直-交”型的控制策略，由于其在控制过程中涉及三维空间矢量调剂等的应用，虽然提升了电能输出效率，但也对相关人员的技能水平提出更高的要求。“交-交-交”型控制策略虽然会降低变压器的能耗，但是如果相关人员操作失误，将会造成不可挽回的损失，其对于操作人员的要求较高。基于此，为了更好地发挥变压器的作用，提升供电质量，就必须加强对相关人员的培养，提升操作人员的专业技能，注重引进掌握该两种控制策略的人才。加强对相关人员的技能等专业知识的培训，并定期对其进行思想教育，让其充分且深刻地意识到降低变压器损耗的重要作用，提升工作热情，增强责任感。

    2.2 采用新型低阻导线及线圈

    2.2.1 选用超导材料

    目前所用的高温超导配电变压器主要通过应用超导性质的材料来代替传统导线，在降低损耗的还可以提升变压器的抗短路电流的作用。以无氧铜导线为主的电阻率比较小的导线材料是当前国内外常用的导线，其在国外应用得更加广泛和普遍。此类材料在温度20 ℃时电阻率只有0.016 Ω mm2/m，相比于电解铜，无氧铜导线的铜含量在92%～94%，选用无氧铜导线可以比较降低6%～8%的电阻损耗[3]。无氧铜导线兼具诸多优点，而且超导体技术的应用还能够降低变压器的电阻损耗。

    2.2.2 采用新型绕组结构和线圈布置方式

    为了降低变压器的损耗，需要积极采用新型绕组结构及线圈的新型布置方式。新型绕组结构主要应用自粘型换位导线来实现对漏磁走向的控制，可以有效降低损耗；
    新型线圈布置方式是根据电流的方向来科学合理地选择线圈布置方式，进而将涡流损耗控制在最低水平，降低变压器运行损耗。此外，可以适当地减少导线的长度，还可以在一定程度上缩短线圈的平均匝数，通过改型设计缩小铁芯直径，有效地提高铁芯填充系数；
    可以选用小油隙、薄纸筒等工具，用绝缘隔板缩小油隙，缩短线圈的平均匝长；
    以组合和换位导线的方式降低并联导线之间的绝缘性，也能够达到减少线圈平均匝长的目的，从而有效地降低电阻的损耗。

    2.3 利用先进技术优化产品性能

    2.3.1 应用现代化数控加工技术

    在对变压器铁芯相关磁体结构进行加工的过程中，应用现代化的数控加工技术不仅可以有效地控制磁体材料的厚度、截面形状等，还可以精准地控制材料尖角毛刺，从而降低变压器空载损耗。通过精准计算可以确定铁芯绝缘结构，且保证撑条、垫块及金属件倒角等形态良好；
    通过计算分析可以实现磁场及涡流分布的换位；
    应用组装式生产工艺可以将内绕组直接缠绕在绝缘筒上，进而实现高度、套装间隙和直径公差等的精准控制，降低由于工艺操作而导致变压器出现空载及负载损耗的概率[4]。

    2.3.2 选用卷绕式铁芯结构

    对于中小型变压器来说，可以选用卷绕式铁芯结构降低变压空载损耗。该种结构的铁芯磁路完全平行于冷轧硅钢片的压延方向，可以充分发挥硅钢片的导磁力，降低铁芯的损耗。阶梯接缝铁芯叠片是一组7片彼此错缝的叠片，一个铁芯由许多组构成。彼此相邻的两层叠片互相错开，之间的接缝达到一定的尺寸，由此形成分级式接缝结构[5]。在选用阶梯接缝铁芯叠片时，穿越铁芯中的磁力线要在接缝处以阶梯形缠绕，这不仅可以缩小接缝处的空气间隙，还能降低交错处的磁饱和，改善磁路导电状态，在一定程度上降低空载损耗。

    2.3.3 使用分析软件

    变压器从本质上来说是一种较复杂的静止感应电器，其主要由铁芯和绕组等构成。优化变压器性能指标时需要综合考虑离散关系和非线性关系。随着对变压器的研究不断深入，各种专业软件也愈发成熟，传统经验公式的误差较大，使用分析软件降低变压器损耗已然成为一种趋势。使用分析软件可以校正和处理屏蔽位置，再加上优质原材料、工艺和技术等方面的帮助，变压器的安全性和可靠性得到显著提升，从而实现抗短路能力强、损耗低、局放低、温升低和噪音低等特性[6]。

    2.4 合理选择配电变压器容量

    2.4.1 严格遵守变压器容量选择原则

    在变压器的选择过程中必须全面考虑电力负荷，科学地选择变压器的型号，进而确保变压器运行损耗在最低范围内。能否科学合理地选择配电变压器的容量，直接关系到变压器运行是否安全、经济。一般来说，在正式确定配电变压器容量之前，要对单位的用电性质、负荷状态、用电设备数量、使用季节、使用时间、工作设备的需求、直接启动电动机容量的最大值等进行详尽的调查和了解，为实现变压器的安全、稳定、经济运行打下基础。对于配电变压器容量的选择要严格遵循以下两个原则[7]。

    （1）所选用的配电变压器不宜容量过大。通常来说，供应负荷的用量应该占额定容量的75%左右。配电变压器的容量要匹配直接启动的电动机的最大容量，以确保电动机能够顺利安全地启动，全压启动的异步电动机容量要小于等于配电变压器容量的30%左右。在保证电动机启动的同时，还要确保其他设备的电压大于等于额定电压的25%，不然就要以降压的方式启动。

    （2）变压器要具备安全性和经济性。

    2.4.2 应用节能型变压器

    淘汰高能耗、老旧的变压器，加强对新型节能型变压器的应用。变压器具有升压、降压、匹配阻抗及安全隔离等作用，其在低压电网中发挥着不可替代的作用。使用节能型变压器可以有效地降低线损，供电线路应当尽可能地使用节能型变压器，尤其是对于长期超负荷的变压器，更应当更换为节能型变压器，由此降低线损。尽可能不使用或者少使用SL1、S2 及S7等高耗能的变压器[8]。在选择变压器并联经济运行方案的过程中，还要掌握变压器负荷，通过计算分析变压器负荷容量来实现负荷的均衡，降低变压器在运行过程中的损耗；
    在变压器运行中还要采取一定的散热措施，降低高温的影响。

    2.5 降低附加损耗

    2.5.1 降低涡流损耗

    涡流损耗和线圈导线损耗的降低主要取决于涡流和环流损耗的降低。导线中漏磁场的涡流损耗和与漏磁方向垂直的导线尺寸平方呈正比。因此，为了降低涡流损耗，导线的尺寸不能过大。还可以选用双连续式、双纠结式并联线段连接线圈的两端，以降低端部导线中的涡流损耗。

    2.5.2 降低环流损耗

    在变压器的实际工作中，多根导线并联绕制线圈比较常见，要对其进行换位。要以完全换位的方法降低多根导线并联产生的环流损耗。换位导线的选用可以降低20%～30%的环流损耗，而且无须在绕制线圈时换位，缩短绕线的时间，显著地提高线圈的安全性和可靠性[9]。

    2.5.3 引线偏磁通形成附加损耗的降低

    线圈和引线的漏磁场共存，在引线漏磁场周围的钢材上会形成很多附加损耗，与杂散损耗的比值在5%～10%。因此，要求引线与油箱壁、钢材之间的距离要大于等于铜排的宽度，还要尽量地缩短铜排之间的间距。此外，要防止相邻引线出现瞬时电流漏磁叠加的情况，以有效地降低附加损耗。

    综上所述，作为电力系统的重要组成部分，变压器的损耗直接关乎整个电力系统的运行效率，为此可以通过提高工作人员的技术水平、采用新型低阻导线及线圈、改进制造工艺、合理选择变压器容量及降低附加损耗等方式来降低变压器损耗。

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