關于電力變壓器損耗的探討

秦軍偉 劉俊寶

河南心連心化學工業集團股份有限公司 河南新鄉 453000

由于發電系統受絕緣材料和散熱等方面的限制，發電機的輸出額定電壓多為10.5kV和18.5kV，采用這種較低的電壓將電能從發電站輸送到遙遠的用戶很不經濟，因為當輸送一定功率的電能時，電壓越低，電流越大，線路的損耗和壓降也越大，為了減少線路損耗和壓降，雖然可以通過增大輸電線路的截面積進行解決，但卻使初投資增加很多。如果使用升壓電力變壓器將發電機輸出的電壓升高到幾十千伏或幾百千伏再進行輸送，就可以大大減小輸電電流，從而解決線路損耗和壓降與輸電線路截面積之間的矛盾。同時，各種用電設備由于考慮到合適的絕緣水平和人身安全，電壓都是比較低的，這就需要利用降壓變壓器，將輸電網的高電壓變換成用電設備匹配的低電壓。

1 變壓器的工作原理和分類

1.1 變壓器工作原理

變壓器是根據電磁感應原理工作的，即在一個閉合的鐵芯上裝有兩個匝數不同并互相絕緣的繞組，其中一次繞組與電網連接，二次繞組與負載連接。當一次繞組接通交流電源時，其中就會有交流電流通過，在鐵芯中產生與電源頻率相同的交變磁通，在繞組中感應出交變電動勢。一次繞組是自感電動勢，二次繞組是互感電動勢。二次繞組有了感應電動勢，如果接上負載，便可以向負載供電，實現能量從一次繞組到二次繞組的傳遞[1]。總結為一句話就是，電力變壓器從電網吸取能量，通過電磁感應原理，以磁通為媒介，將能量傳遞給負載。

1.2 變壓器分類

變壓器按照用途、冷卻方式等可以分為多種，其中主要用于輸電、配電、用電部門是電力變壓器，占到變壓器產品中大部分。電力變壓器根據實際使用需求，又可以分為油浸式和干式，其中油浸式絕緣和散熱性能好，主要為大容量變壓器，做主變用；干式體積較小，安裝維護簡單，主要為小容量變壓器，做站用變或車間變較多。

2 電力變壓器的運行特性

2.1 外特性

外特性是指一次側電源電壓和負載功率因數均為常量時，二次側電壓隨負載電流變化而變化的曲線。對于純電阻負載和電感性負載，二次側電壓隨負載電流增大而降低；對于電容性負載，二次側電壓隨負載電流的增大而升高。在實際應用中，我們通常在二次側安裝電容柜，用于補償負載增大而造成的二次側電壓降，維持電力變壓器二次側的穩定，提供供電可靠性[2]。

2.2 效率特性

變壓器在運行過程中，會產生損耗，主要分為銅損耗和鐵損耗兩大類，兩者又分別包括基本損耗和附加損耗。基本銅損是電流在一二次繞組的直流電阻引起的損耗，附加銅損主要指由于漏磁通引起的集膚效應和鄰近效應，使導線的有效截面積減小、電阻增大引起的損耗。銅損與負載電流的二次方成正比，隨負載變化而變化，也可稱為可變損耗。基本鐵損是變壓器鐵芯中的磁滯和渦流損耗，附加鐵損包括疊片間由于絕緣損傷引起的局部損耗、接縫處磁通密度不均勻引起的損耗和主磁通在結構件中引起的渦流損耗等。鐵損近似與電源電壓二次方成正比，而電源電壓可以認為是恒定的，鐵損近似不變，也可稱為固定損耗。在中小型變壓器中，附加銅損/鐵損通常比基本銅損/鐵損小很多。在大型變壓器中，附加損耗較大，在制造時往往采取導體換位、油箱內壁采用鋁板/硅鋼片進行電磁屏蔽或采用非磁性壓板、夾件等措施，以提高效率。

2.3 功率流導過程與損耗

電源從一次繞組輸入，電功率為P1，其中很小一部分消耗于一次側的銅損和鐵損，絕大部分傳遞給二次繞組，又有一小部分消耗于二次側銅損和附加損耗，絕大部分供給負載P2。變壓器應分別做空載試驗和短路試驗，其中空載試驗是變壓器在空載狀態下進行的試驗，主要測定變比k、空載電流Io、空載損耗po和勵磁阻抗zm；短路試驗是指變壓器一次側接電源、二次側短路進行的試驗，主要測定短路電阻、短路電抗和短路損耗[3]。根據實驗測定的銅損、鐵損等損耗情況，變壓器實際效率可以表述為μ=P2/P×100%=（P1-Σp）/P1×100%=（1-Σp/P1）×100%=[1-Σp/（P2+Σp）]×100%。（說明：Σp為鐵損+銅損之和）

2.4 變壓器損耗計算

在實際應用中，因為變壓器的效率很高，測量儀表本身存在誤差，不適宜通過直接測量求差取得，并且用帶載的方法測量損耗不經濟。因此工程上常用間接法測定效率。以常年帶載且負荷變動不大的化工廠為例，根據實驗測定的數據，同時變壓器負載率取60%，變壓器投運時間取360天/年，電費按0.6元/度計算，采用以下公式進行年損耗計算：

C y = { 3 6 0 × 2 4 ×[ P o +（ 0 .0 5 ×I o × S n ）÷100]+360×24×0.6×[Pk×0.6+（0.05×Uk×Sn）÷100]}×0.6

公式說明：Po— —空載損耗，kW；

Pk— —負載損耗，kW；

Sn— —額定容量，kVA；

Uk— —短路阻抗百分數，%；

Io— —空載電流百分數，%；

3 變壓器損耗的差異性

對于大容量電力變壓器，通常選擇油浸式，常年接在電網上，負載因時間和季節不同而有所變化，不可避免的會出現輕載運行的情況，雖然輕載是銅損會減小，但鐵損并不因此而減小，所以減小鐵損對減小全年的能量損耗有利。對于終端用戶的車間變壓器，通常容量不大，一般選擇干式變壓器，根據車間的生產特性，變壓器帶載情況不一樣，以化工廠為例，其工序為連續生產性質，且用電負荷穩定，則降低銅損和鐵損的重要程度一樣。

4 結語

電力變壓器在電力系統中的廣泛應用，極大地提升了電能輸送效率，為社會經濟建設提供能源支持。所以電力系統中選擇能效較高的變壓器對提高電力輸送效率意義重大。