電力變壓器負載損耗的特性分析與降低措施
一、文章前言
變壓器是電能的傳輸設備，在變壓器運行的過程中，其空載損耗與負載損耗始終存在并消耗掉一定的電能。為了適應遠距離傳輸電的要求，現代變壓器的發(fā)展趨勢是向超高壓、超大容量變壓器方向發(fā)展，其損耗的絕對值是很大的，因此，降低變壓器的空載、負載損耗，改善性能指標，提高運行效率來達到節(jié)能增效的目的為越來越多的變壓器生產、使用廠家和單位所重視。
變壓器負載運行時，繞組內通過電流，由于導線存在電阻，因此將在導線及引線中產生直流電阻損耗，同時，由于漏磁場的存在，漏磁通將在線圈的導線中產生雜散損耗(包括導線的渦流損耗及不完全換位引起的環(huán)流損耗)，及其他鋼鐵結構件中的雜散損耗。變壓器的負載損耗即包括以上幾部分。
因變壓器空載損耗與鐵心硅鋼片的材質及疊片方式有關，且有很多著作對其進行了分析，本文不再論述。下面從如何降低變壓器的負載損耗方面做了初步的分析與探討，并提出了一些相應的工藝方法。
二、線圈及引線電阻損耗
1. 線圈導線的電阻損耗：其值按下式計算：
Pr=m I2R W (1)
對于小容量配電變壓器來說，負載損耗主要是繞組和引線的直流電阻損耗，由漏磁場引起的雜散損耗比例很小，計算式如下：
Pf =Pr×Kf / 100 W (2)
Kf為雜散損耗百分數，其值選取3%--8%。有時其雜散損耗可忽略不計。
2. 引線電阻損耗
當電流通過引線時，由于引線有電阻，從而產生引線損耗，它可用占線圈電阻損耗的百分數表示：
Py=Pr×Ky / 100 W (3)
式中Pr為線圈直流電阻損耗(W)，Ky為引線損耗百分數，當電流較大時，引線經過的鐵件內會產生較大的渦流損耗，其損耗值需要我們注意。
三、線圈附加損耗的分析、計算
1. 渦流損耗
變壓器繞組通過電流時，除了在鐵心中產生鏈接主、副繞組的主磁通外，還產生只鏈接自身的漏磁通，這部分漏磁通過空氣鐵心或其他金屬件閉合。大容量變壓器運行時，繞組的安匝會產生很大的漏磁場。此時繞組的導線均處在漏磁場中，根據楞次定律，在閉合回路中產生感應電流(稱為渦流)，從而在導線中產生渦流損耗。在繞組范圍內，漏磁通大部分是軸向分布的，但在繞組端部及安匝不平衡部分，也有幅向分量，這兩個分量均會在繞組導線內產生渦流損耗。
1.1 軸向漏磁渦流損耗
當不考慮渦流影響時，我們假定軸向漏磁通密度隨繞組寬度成線性分布如圖(1)，因縱向漏磁分布與線圈的幾何尺寸有關，即在線圈端部及外徑側，漏磁不按直線分布，而是發(fā)散，而且線圈外部磁路具有一定的磁阻，最大軸向漏磁通密度也將減小，因此工程計算中，用下面公式表示：
Bm=1.78×IWρ / Hx ×10 –4 T (4)
式中，ρ —洛氏系數 ，IW為安匝數，Hx為線圈電抗高度(cm)。
上式中是假定在繞組所占的空間里，軸向漏磁通是相等的，因此軸向漏磁通在繞組中產生的渦流損耗與導線厚度的平方成正比。
應當注意，如果變壓器為三繞組變壓器，且運行方式為內—外繞組運行時，雖然中間繞組沒有電流流過，由于它處于內—外繞組的主漏磁空道之中，即位于最大縱向漏磁場位置處，也存在渦流損耗。該處的磁場與圖1不同，不是斜線分布，而是可近似看成均勻分布，根據推導，其渦流損耗為按斜線分布時的3倍。
1.2 幅向漏磁渦流損耗
由于漏磁通是由二次線圈磁勢和與其相平衡的一次線圈磁勢負載分量共同產生。根據變壓器的磁勢平衡定律可知，變壓器的磁勢總是平衡的，但由于縱絕緣結構要求線圈的起始部分加強絕緣，或有調壓線段，使一、二次線圈在整個高度上的安匝分布并不完全處于平衡狀態(tài)。即在一些區(qū)域里，一次線圈的安匝數大于二次線圈的安匝數，而在另一些區(qū)域里，二次線圈的安匝數大于一次線圈的安匝數。每一區(qū)域里的一二次線圈等效安匝相平衡，而平衡的磁勢將產生漏磁通，所以在一二次線圈所占據的空間里還有一種流通方向與線圈軸向方向相垂直的漏磁通，稱為幅向漏磁通，它在線圈的導線中也產生渦流損耗
幅向漏磁通比縱向漏磁通小很多，但在特大容量變壓器中，幅向漏磁通要占一定的比例，因此由它產生的渦流損耗也不可忽視。工程上的計算也可參照縱向漏磁的計算方法。
k fw =k×102(b Br /δ)2×(f / 50)2 (5)
式中b——導線寬度 (mm)
δ——導線中的電流密度(A/mm2)
Br——主漏磁空道磁密幅值(T)
文獻[3]針對變壓器不平衡安匝對幅向漏磁產生的影響做了分析。可知，除繞組端部外，縱向漏磁分布與不平衡安匝相似。同時高低壓繞組的幅向漏磁分布在主空道內存在一個分界帶，分界帶兩側的幅向漏磁各自閉合。即低壓繞組的幅向漏磁由心柱及上下鐵軛閉合，并對其漏磁起主要作用;外繞組的幅向漏磁通過外部氣隙閉合，并對其漏磁起主要作用。由于內繞組與鐵心柱距離較近，其磁路的磁阻較小，磁導大，因此內繞組的幅向漏磁比外繞組的幅向漏磁大約1倍，為減小端部的幅向漏磁，可適當增加高低壓線圈的軸向高度差，來制約鐵心柱及上下鐵軛所引起的橫向漏磁以改善變壓器性能參數。
2. 漏磁場對環(huán)流損耗的影響
當繞組電流比較大時，為減少渦流損耗，以及便于繞制線圈，導線被分成數根截面積較小的導線并聯。因漏磁通在導線中感應出電動勢，并聯導線在漏磁場中的位置不同，此電動勢的大小也不同，從而在并聯導線中會引起循環(huán)電流，所產生的損耗，稱為環(huán)流損耗。
為減少環(huán)流損耗，需要對并聯導線進行換位，使并聯導線回路中的漏電勢大小相等，方向相反，從而使并聯導線中不出現循環(huán)電流，稱為完全換位;有時并聯導線根數較多，換位后仍存在循環(huán)電流，稱為不完全換位。
對于多根并聯導線的不完全換位，需計算其由不完全換位引起的環(huán)流損耗。同樣，我們忽略漏磁場畸變，現討論單螺旋式線圈的環(huán)流耗計算。當并繞根數較多時，單螺旋線圈進行一次標準換位及“212”換位的環(huán)流損耗均遠遠大于“242”換位，因此工程上只采用“242”換位。其計算公式如下(推導略)：
Kb=kbcm(fasWρ / Hx)2 (6)
對于連續(xù)式線圈，若導線并聯根數為兩根時，換位是完全的，超過三根時，則是不完全換位，計算其損耗仍可采用(6)式
同時可看出，對于同一種換位，并聯導線數越多，渦流損耗降低，環(huán)流耗將增加，但總的雜散損耗還是下降。并聯導線多，對于螺旋式線圈來說，施工及繞制難度上并未變化，但連續(xù)式線圈卻要增加底位及連位的換位次數，工藝性不好。這樣，針對三根以上并聯導線的連續(xù)式繞組的換位提出了兩種典型的完全換位方式?！ ?/div>
(a)“改進型”換位 (b)“類潘戈”換位
文獻[7]對傳統(tǒng)型換位、改進型換位、類潘戈換位在繞組端部產生的漏感電勢差進行了計算與討論。在繞組端部，改進型換位所產生的漏感電勢差最小，因而在繞組端部20%左右的線段內采用改進型換位，換位段數根據并繞根數確定。因類潘戈換位的工藝性較好，在繞組中部，可采用類潘戈換位。
因為在繞組端部20%的區(qū)域里，縱向漏磁產生嚴重的彎曲，繞組端部漏磁密度要比中部低得多，大約為50%左右。在端部漏磁彎曲所產生的幅向分量在線圈內不感應出漏磁電勢，因而只考慮縱向分量產生的環(huán)流。因此，對于螺旋式線圈，若按傳統(tǒng)“242”方式，即在線圈的1/4，1/2，3/4進行換位，雖然導線長度一致，但并聯導線間的漏感電勢差仍然很大，變壓器容量越大其漏感電勢差越明顯，這勢必影響環(huán)流損耗的降低效果，因此應使繞組端部的換位區(qū)匝數比中部換位區(qū)匝數略多一些，使各并聯導線間的漏感電勢差降至最小，減小環(huán)流損耗。
3. 自粘換位導線的優(yōu)點及應用特點
由以上的分析可知，變壓器的容量越大，漏磁場越強，從而使漏磁場引起的各種雜散損耗增加，因此，在大容量變壓器中，除了由縱向漏磁場引起的渦流損耗外，由幅向漏磁場引起的渦流損耗的計算也是必須的。同時在變壓器設計時，為降低縱向漏磁引起的渦流耗，應適當減小導線厚度，其范圍在1.5-2.24mm;為降低幅向漏磁引起的渦流耗，應適當減小導線寬度，最好小于12.5mm，且導線的寬厚比控制在2-6之間，兩者可調整至合適值，以滿足要求。
對于大容量變壓器來說，因線圈的附加損耗與導線的線規(guī)關系很大。因此為降低線圈的附加損耗，目前比較多的采用自粘換位導線，同以往的單根導線及組合導線相比，它有很多優(yōu)點：
1. 因換位導線是由多股小截面的導線經過編織而成，且換位節(jié)距為線寬的16-22倍，換位極為充分，因而在線圈的繞制過程中不需要進行換位，從而減少了環(huán)流耗。同時縮短了繞線工時，提高了線圈的可靠性。
2. 由于使用的單股導線線規(guī)較小且相互絕緣，可使縱向及幅向漏磁通產生的渦流損耗減小，經計算，其渦流損耗約為多根并聯導線的渦流損耗的30%。
3. 由于單根導線絕緣較薄，而統(tǒng)包絕緣可按具體絕緣要求，這樣可以使導體的填充系數得到改善，并能縮小線圈尺寸，同時還有利于散熱。
4. 現在采用的自粘性換位導線，單股線表面涂有特制的環(huán)氧樹脂，線圈經恒壓干燥后，牢固的粘合在一起，形成一剛體，其抗彎、抗拉等機械強度自然大大增強，提高了導線的紐矩，增強了線圈抗短路能力。
5. 如所知，在大容量高電壓的變壓器中為降低雜散損耗常采用磁屏蔽方式，這會使繞組端部的幅向漏磁更加嚴重。對于因幅向漏磁引起的渦流損耗與導線寬度b的平方成正比，因此采用導線寬度很小的換位導線就緩解了這種狀況。
但應注意的是，采用自粘換位導線時，線圈宜采用恒壓干燥法，這樣才能在導線固化成型后，使線圈一次干燥便達到最終尺寸，消除二次整形時線圈導線產生的內應力，減少線圈套裝時的二次加壓對導線造成的損傷。
當采用多根自粘換位導線繞制螺旋式線圈時，應采用改進型的潘戈換位法進行換位，以減小各換位導線間的環(huán)流損耗。
四、變壓器雜散損耗的分析、計算及改善措施
變壓器運行時，由于漏磁場的存在，在穿過變壓器各結構件時要產生損耗，統(tǒng)稱為雜散損耗。包括漏磁在油箱、夾件、鐵心拉板等金屬件內產生的損耗。對于小容量變壓器來說，其漏磁通較小，因此雜散損耗的比例很小，可忽略不記。當變壓器容量很大時，隨著容量、電流的增大，其漏磁通較大，漏磁場在鋼結構件中引起的雜散損耗的比例也增大(通常30%—40%)，需要對這部分損耗進行分析。
考慮到漏磁通路的復雜性，要精確計算是困難的，因此雜散損耗計算只能采用近似的方法計算。對于800KVA及以上的中大型變壓器，目前工廠通用的簡易計算方法為：
Pzs = K×Ux×S kW (7)
其中K為經驗系數，Ux為阻抗電壓，S為變壓器容量(KVA)。對于K的取值，根據變壓器的容量、結構及繞組數量等多個因素有關，是工廠根據自己的生產條件、制造工藝、試驗結果總結出來的經驗系數，各個企業(yè)有少許的不同，但對于制造來說，其精度已能滿足生產要求。
1. 線圈漏磁對雜散損耗影響
由于線圈漏磁要穿過各個鋼結構件，其大小與鋼夾件及油箱至線圈的距離有關，當鋼壓板或夾件至線圈距離愈大，而油箱至線圈距離愈小時，其幅向分量愈大;反之，當鋼壓板或夾件至線圈距離愈小，而油箱至線圈距離愈大時，其幅向分量愈小。而對于軸向分量則影響不大，且軸向漏磁(占總漏磁的80%-90%)引起的雜散損耗所占比例較大。
為了減小雜散損耗，工程上常將線圈附近的較大的金屬結構件采用非磁材料制造。如用層壓紙板或木板制作線圈壓板;鐵心夾件采用低磁鋼板制造，這樣，在這些結構件中產生的雜散損耗將會明顯減少。但需要注意的是，采用層壓紙板壓板，相當于增大線圈端部距鋼結構件的距離，這樣會導致幅向漏磁通分量的增大，使線圈導線中幅向漏磁的渦流損耗增加，同時在線圈端部還會造成局部過熱，因此對于線圈來說，為了減小線圈端部的局部過熱，需要增大油隙以利于散熱。
對于油箱，通過的漏磁通較大，在其中產生的損耗(渦流損耗)和局部過熱也較為明顯。為減小油箱壁中的雜散損耗，國外曾采用非導磁材料制造油箱，如英國曾制造過鋁油箱，但國內最為常見的辦法是采用屏蔽措施：
(1)電屏蔽方式：它是在油箱內壁鋪設鋁板或銅板。當漏磁進入鋁板或銅板后，在其中產生渦流損耗并隨之建立反安匝，從而減少進入油箱壁的漏磁通，同時也就降低了油箱中漏磁損耗。從宏觀上來說降低油箱壁中的漏磁損耗的效果較磁屏蔽差，但渦流反安匝作用的結果，卻使繞組端部的漏磁通減弱了。對于容量大，電壓不很高的變壓器采用電屏蔽較好，它不但能減少油箱中的雜散損耗，同時能使漏磁力線彎曲程度減小，從而時線圈導線中的由幅向漏磁分量產生的渦流損耗減小。一般用銅板時其厚度取4-5mm，用鋁板時其厚度取8-10mm比較合適。如果屏蔽太厚，既不經濟，屏蔽效果也不會明顯提高。
(2)磁屏蔽方式：它是在油箱內壁鋪設硅鋼片。由于硅鋼片導磁性能好，使漏磁通大量的進入損耗很小的磁屏蔽中，從而減少進入油箱壁的漏磁通。對于磁屏蔽的厚度，一般在30mm左右，其高度應超過線圈總高度，且應盡可能的高，否則漏磁通會繞過磁屏蔽而進入油箱壁中，降低了屏蔽效果，同時也會產生局部過熱。磁屏蔽鋪設方式一般有立放(硅鋼片與油箱垂直)和平放(硅鋼片與油箱壁平行)兩種。當立放時漏磁通容易進入磁屏蔽，在磁屏蔽中產生的雜散損耗較小，但由于油箱結構限制往往不能盡量增高;平放時則相反，但它可以隨著油箱壁彎曲并可伸得很高。
需要注意的是，采用磁屏蔽后，由于它的磁阻極小，會使得漏磁力線彎曲更加嚴重，導致線圈導線中幅向漏磁分量產生的渦流損耗增大，所以，一般僅用于大容量高電壓的變壓器。因其線圈對油箱的距離較大，磁通的彎曲程度相對較小，對線圈端部雜散損耗影響比較小。
國外曾報道過雜散損耗與油箱屏蔽方式之間的關系。
從表中可以看出，當采用磁屏蔽后雖可大量降低油箱中的雜散損耗，但卻使繞組端部的附加損耗增加了，會造成線圈的局部過熱，降低了變壓器運行的可靠性，因此，采用何種屏蔽方式，需要仔細考慮。
因放置磁屏蔽會增加繞組端部的幅向漏磁通，因此，可在上下夾件相對線圈側的肢板上加裝由硅鋼片制成的磁分路，它可以改善漏磁分布，吸引磁力線并進入鐵心(見圖5)?；蛘邏喊蹇拷€圈的一側采用硅鋼板制作的磁屏蔽，或采用硅鋼板卷制并用環(huán)氧樹脂澆注成的壓板，這不但可減少這些結構件中的雜散損耗，同時也會減少幅向漏磁通分量，從而使線圈中的渦流損耗也相應減少，采用這種夾件磁屏蔽措施，一般可減少總雜散損耗40%左右?！ ?/div>
象變壓器夾件及鐵心拉板等大金屬結構件，漏磁通通過量較大，因此，對于夾件，理想的方式是使用低磁鋼板，但對于生產廠家來說，采用低磁鋼，其費用及焊接工藝的限制，難以普及。但為減少雜散損耗，對某些小件(如壓釘板及其加強筋)仍可采用低磁鋼。相對于夾件，鐵心拉板的鋼板材料用量較少，故可使用低磁鋼。通常做法是在低磁鋼拉板上開槽。文獻[3]表明，通過增加鐵心拉板開槽數目和長度，可明顯降低其渦流損耗，并能有效地減少局部過熱;增加開槽寬度也有同樣效果，但不如前者顯著。
2.引線漏磁對雜散損耗影響
變壓器在工作時，由于引線電流的漏磁場與線圈的漏磁場同時存在，大電流引線在其附近的鋼結構件(如箱壁、夾件等)中同樣產生渦流損耗，雖然這部分損耗對總雜散損耗影響不大，但在局部損耗密度很高時，可能引起油箱或夾件的局部過熱。
在油箱內部，對于一般的電力變壓器，當引線電流不太大時，引線長度相對較小，引線電流引起的漏磁損耗可以忽略不計，但當電流在1000A以上時，引線的布置、引線相互間的排列及對結構件的位置就應仔細考慮。對于夾件，引線漏磁場產生嚴重畸變，會在各金屬件的尖角處積累大量電荷，嚴重時產生局部放電，同時引起角板及加強筋等局部過熱。通常的做法是將各金屬件全部尖角加工成圓角，以改善該處的電場分布。有的廠家還加裝電屏蔽來降低該處的渦流損耗。當引線采用銅排時，通常將其窄面對著油箱壁布置，這比平行于油箱壁布置時的損耗要小得多(在相同的距離條件下)。
同時，為減少引線的漏磁通，引線相互之間的距離應盡量縮小(在滿足機械力的前提下)，引線應交錯排列，使相鄰引線的電流可以互相補償，相互抵消產生的漏磁，降低損耗。
當引線通過套管引出油箱且電流較大時，在套管周圍的零件如套管法蘭，金屬罩，螺栓及箱蓋等部位的漏磁場強度的數值也很大，產生渦流損耗并發(fā)熱。為了消除這種影響，上述零件可采用非導磁材料。為限制箱蓋的損耗，可以采用幾只套管并列的方式，即在箱蓋上開一個公共孔，將幾只套管同裝在一起，以使電流互相補償，使通過箱蓋開孔的瞬時電流之和為零。這樣，穿過套管周圍的箱蓋的漏磁通將大大減少，從而減小箱蓋的雜散損耗。
五、文章結語
對于變壓器負載損耗來說，直流電阻損耗為主要部分，且與導線材質有關，因此使用優(yōu)質銅導線是關鍵，這樣可控制電阻損耗在允許范圍之內。從上述分析可知，導線的渦流損耗與環(huán)流損耗及油箱等金屬件的雜散損耗均由變壓器的漏磁通引起的，因此，在變壓器設計時應優(yōu)化變壓器的結構，將繞組的安匝分布調整至最佳，同時采取適當的工藝措施，減少繞組端部幅向漏磁，來降低這部分損耗。但應注意的是，控制繞組的安匝分布是難點，因為在對線圈進行干燥過程中，由于墊塊等絕緣材料的限制及線圈整形的工藝原因，很難將安匝控制在理想狀態(tài)。這就需要采取更先進的干燥設備和方法，如恒壓干燥法，墊塊預密化處理，使用恒溫箱減少絕緣件的返潮等，可提高線圈軸向尺寸的可控性，保證其安匝分布，降低漏磁損耗。
在降低變壓器漏磁，減少雜散損耗的同時，需注意局部的磁場畸變，雖然其絕對值很小，但會引起局部的溫升過高，影響變壓器的穩(wěn)定運行。
因此，在變壓器結構中需要充分考慮各結構件的尖角影響，必要時可使用屏蔽措施來保證其溫升。
總之，變壓器的漏磁場量的大小及分布規(guī)律極其復雜，對于生產廠家和運行部門來說，采取相應的技術措施來降低由漏磁引起的損耗，節(jié)約成本，有著一定的積極意義。
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