Question

漫谈变压器的损耗（二）

Answer 1

上期我们大致讲了一下变压器的铁损，那么本期我们来讲讲变压器的铜损与附加损耗。

1、 铜损

a）定义

变压器的原、副绕组中都有一定的电阻，当电流流过绕组时，就要产生损耗，消耗电能，这就是铜损。

b)额定铜损

铜损时一个可变值，随着负载电流的大小变化而变化，所以需要一个数值来给用户一个直观体验。

实际中一般通过短路试验来测定。在短路试验中，将变压器低压侧绕组短接，而给另一个绕组加上适当小的电压，使通过两个绕组的电流等于额定值，称为短路电压。由于短路电压很低，此时变压器的铁损可以忽略不计，此时测得的功率即可认为是变压器在额定状态下的铜损。

短路试验原理图如下所示：

c）实际铜损

在某一负载下变压器的铜损计算公式如下：等于变压器负载系数（β）的平方与其额定铜损（PcuN）的乘积。

式中：β为变压器负载系数，I2电流负载电流，I2N为额定负载电流，Pcu为实际铜损，PcuN为额定铜损。

d）变压器的最佳负载率

首先理论上的变压器运行最高效率的负载率计算公式如下：

我国目前生产的变压器在βm一般在0.3~0.5之间，如果采用更节能的非晶合金变压器，最佳可降低至负载率在0.15。

如需要选取最佳运行负载率，一般按照效率特性曲线进行选取，1600kVA的变压器效率特性曲线如下图所示：

如上图所示，最佳运行负载率应为41%左右。但是这种片面最追求最佳负载率的思想是不正确的，这会导致设备成本及运营成本的增高。

在实际应用中，我们必须结合负荷类别与最佳运行负载率，同时考量容量配套电费，综合地选定适宜的负荷率。

如果所带负荷大多为二级以上负荷，为满足事故状态下的运行，负载率应控制在45%~55%之间。

如民用建筑和一般工厂，一般使用单位会从经济上（即容量配套电费）考虑，要求将设计负载率提高，但长期的负载率应不高于85%且变压器必须配备强制冷却措施。

其他情况下一般按照配电设计手册将变压器的负载率定为60%~70%之间，若考虑追求最佳效率，可定为50%~60%，一般情况不推荐。

2、 附加损耗

附加损耗是指实测损耗与基本铜损+基本铁损之差。与电能质量、生产工艺、变压器结构、漏磁场等等相关。

a） 附加铁损

①磁通波形中的高次谐波。

高次谐波电压将会导致磁滞损耗与涡流损耗的增大，即在铁芯中引起附加铁损。

②生产工艺导致。

⑴ 材质

普通硅钢片厚度为0.3~0.35mm，为降低损耗可采用更薄规格型号，例如0.15~0.27mm。需进一步降低损耗又可采用阶梯叠积（约能降低铁损8%左右），若要求更高，则可采用激光照射、机械压痕、等离子处理等技术使得硅钢片损耗更低。

若采用非晶合金片和速冷原理制成的硅钢片，其涡流损耗能更低。

PS：铁芯中如混入不同牌号硅钢片会增加耗能，尽量少混或不混。

 

⑵ 生产设备

硅钢片材料，冲剪设备是否退火，夹紧程度等等有关，对冲剪设备的刀具精度、装刀合理和调整也很重要。

听变压器厂的师傅说夹紧应力、冲片的毛刺都会影响硅钢片的电磁性。老师傅还说如果生产过程中硅钢片所受到的应力较大，需要退火来恢复它的磁性能。

与工艺相关，本人也只是道听途说，真的不了解，也就不瞎说了。

③ 变压器的结构

⑴ 接缝型式

上文的材质小段落中，我们提到阶梯接缝能降低铁损，现在我们来简单地了解一下。

接缝型式分为步进多级（阶梯）接缝和传统的交错接缝，我们以3级叠法，进行说明，其示意图如下所示：

与接缝同层且相邻的铁芯区域磁力线比较稀疏，如图中红点所示，而与接缝不同层但相邻的铁芯区域，磁力线比较密，如图中蓝点所示。这是由于磁性钢片的磁导率远大于空气，在接缝处，几乎全部磁通通过铁芯片进入相邻叠片，只有在相邻叠片饱和时，少部分磁通才通过气隙。

对于交错接缝（2级阶梯接缝），每两层只有一层磁通穿越空间，其导磁面积变为1/2，造成局部磁密增大或磁饱和从而增大了局部损耗，且往往因为相邻磁饱和，导致接缝气隙有磁力线通过。

在上图的（a）中也可明显的反映此点，第一层的圆框部分，显然有1条实线与两条虚线，这样就是两条磁力线。

对与3阶接缝，每三层有两层磁通穿越空间，其导磁面积变为2/3，显然大于交错接缝，这样能够缓解局部磁密过大的现象。

在上图的（b）中也可明显的反映此点，第一层的方框部分，显然有1条实线与一条虚线，这样就是1.5条磁力线。

随着级数的增加，磁密趋于均匀，磁力线在穿过垂直方向上的气隙之间立即避开气隙而拐入相邻的叠片使磁路畅通平顺。但随着级数的增加，磁性能改善的幅度也越来也小，在实际应用中以3级与5级比较多。

除了接缝型式以外，接缝间隙增大，也会引起局部磁密升高，当接缝大小为2mm以上时，铁芯局部损耗会增加得比较明显。

⑵   铁芯结构

这里内容就很多了，讲两点，其他的了解一下就好了。

第一，铁芯冲孔不仅会导致孔周围磁通密度较高，而且此处会产生磁通弯曲。所以空载损耗随孔径的加大而急剧的增加。

第二，减少铁芯的搭接宽度可降损，搭接面积每减1%，空载损耗能降低0.3%。

还有其他手段，比如铁芯不绑扎玻璃粘带、端面涂固化漆、相间铁轭用高强度钢带绑扎、芯柱两侧连接上下夹件的拉板用非磁性钢板、采用强压工装和粘胶使得铁芯两轭成为一个坚固、平整、垂直精度高的整体等等。

⑶ 铁芯尺寸

在保证安全的情况下，减少铁芯窗口尺寸也是降低损耗的好办法。

例如：将绕组不变匝绝缘改成变匝绝缘，其实就是调整绝缘厚度，这样使得窗口尺寸缩小。还有缩小高、低压间主空道，降低饼间油道等等。

⑷ 铁芯型式

卷铁心结构由于没有接缝或接缝很少，接缝部位的磁密不均匀所引起的损耗可不予考虑，显然优于叠片式。其实物图如下所示：

④ 异常涡流损耗

材料中有磁畴结构存在，在交变磁场作用下，内部的畴壁将随磁场的变化而来回移动显然，这种局部磁矩取向的改变将导致微观范围内磁通的改变，从而在材料内因产生微涡流而附加的一部分能量损耗，称为异常涡流损耗。

通俗地说异常涡流损耗就是由磁滞损耗而产生的涡流损耗。粗略地来讲，硅钢片内部磁区的结晶粒的大小对异常涡流损耗的值影响较大。

例如

取向性硅钢片，它的结晶粒的直径为3~20μm，其异常涡流损耗甚至可达到总铁损的50%。

而无取向性硅钢片，它的结晶粒直径为0.02~0.2μm，其异常涡流损耗甚至小到忽略不计的程度。

b） 附加铜损

① 绕组涡流损耗

谈绕组涡流损耗之前，我们先谈谈漏磁通。当变压器空载运行时，空载电流在原绕组中产生交变磁动势，并建立起交变磁通。该磁通分为两部分，一部分沿铁芯闭合，同时交链原、副绕组，称为主磁通；另一部分只交链原绕组，在原绕组附近的空间闭合，这就是原绕组的漏磁通。

变压器各绕组导体处于漏磁场中，将产生涡流，由于涡流的存在就使得电流密度沿导线横截面的分布变得不均匀了，此即电流排挤效应。交变电流在导线截面里分布不均匀，使得绕组实际电阻比欧姆电阻大为增加。

综上绕组涡流损耗由两部分组成，一部分是涡流损耗，还有一部分是电流的排挤效应。

在一定范围内，绕组涡流损耗与导线厚度的平方成正比，与绕组的高度成反比。为了减小涡流损耗，常采用并联导线，这又衍生出了环流损耗。

② 引线损耗

变压器各引线电阻损耗的总和，按基本铜损的百分比进行折算，一般为1%~2%。

③ 杂散损耗

杂散损耗是指由于漏磁通穿过金属结构件（夹件、钢压板及螺栓及油箱壁等），并在其中产生的杂散损耗。

杂散损耗主要考虑的是漏磁通所导致的涡流损耗，在小于630kVA的变压器中由于漏磁通偏小一般忽略。在工程应用中往往通过经验公式或有限元分析进行计算，由于计算比较复杂，这里就不展开谈了。

④ 环流损耗

讲到环流损耗，就一定要谈到线圈绕组的换位。当变压器绕组中电流很大时，绕组的线匝是由多根相同导线并联组成。并联导线通常进行换位，其目的在与使各并联导线在运行时的电流均等或接近均等，这就称为“完全换位”。

其作用有二：

⑴使各并联导线间的循环电流很小，甚至接近于0，这样环流损耗也会很小。

⑵使各并联导线温升相近。

如果不进行换位，其两根或多根导线处于不同的漏磁场中因产生感应电位差，再加上各并联导线会因为总长度的不相同而造成每根导体的电阻也不一样，这就等于数根电势与内阻抗都不一样的含源支路进行并联的情况，这时各支路之间会产生循环电流，循环电流在流经导线电阻从而产生环流损耗。

总而言之，换位的基本原则如下：

⑴换位后每根并联导线的长度尽可能相等。

⑵换位后每根并联导线所处漏磁场中位置尽可能相同。

但是换位次数增多会使得绕制工艺复杂，而且由于换位造成的绕组凹凸不平和电场集中处也会相应增多，因此在设计中应多方面考虑。

拓展：

换位导线：换位导线是指以一定根数的漆包铜扁线组合成宽面相互接触的两列，并按要求在两列漆包线的上面和下面沿窄面作同一转向的换位，并用电工绝缘纸带作多层连续紧密包绕组成。在大容量变压器的中、低压绕组内广泛使用。

PS：绝不能因为采用换位导线而忽视了换位，本人见过因设计认为采用换位导线绕制后，未采用传统的“212”换位，而导致环流损耗大大增加，以致变压器负载损耗不达标。

 

④电压中的高次谐波

在高次谐波电压作用下，将会产生集肤效应与邻近效应，这将导致绕组中产生附加铜损。

3、总结

在变压器正常运行时，只需考虑铁损和铜损即可，通常来说铜损一般在0.5%，而铁损一般在5%~7%。但当变压器出现异常发热的情况，附加损耗这块也要多多注意。

拓展：

a）集肤效应

根据电磁感应定律，交变电场将在其周围产生交变磁场。当交变电流流过导体时，必然会在导体内部及导体周围产生交变磁场，如下图所示：

如上图所示，将圆形导体截面划分为内部B和外部A。与B部分相链的磁通为Φ1和Φ2，而与A相链的磁通仅为Φ1，所以靠近导体中心的电流线所交联的磁通要大于远离导体中心的电流线所交联的磁通。

交变磁场在导体中产生反向感应电动势，其作用是阻碍原电流的变化，使得通过导体截面的电流减少，因此离导体中心越近，感生电动势越高，阻碍原电流变化的作用越强，导致导体中心部分的电流密度比导体外表部分要笑。结果使导体的电阻增加，使其损耗功率也增加。

如上所述，这就是集肤效应。

b）邻近效应

举个例子来说明：

双线传输线的两根导线分别通过方向相反的交流电流时，各自产生的交变磁场相互在相邻的另一根导线上产生涡流。这种由相邻导线上的电流在本导线激发的涡流与本导线原有的工作电流叠加，使导体中的实际电流分布向截面中接近相邻导线的一侧集中。这就是邻近效应。

其示意图如下：