干式變壓器空載溫升的簡易估算

趙文麗

（海南金盤科技股份有限公司）

0 引言

干式配電變壓器作為電力系統的終端基礎設備被廣泛應用于工業、農業、軌道交通、社區等各大領域中，具有損耗低、抗短路能力強、免維護等優點。主要性能參數為空載損耗和負載損耗。隨著科技的發展，綠色節能的理念越來越得到國家的重視，國家對干式配電變壓器損耗的要求也越來越高。基于配電變壓器較長時間處于低負載運行的工況條件，考慮到變壓器效率，需要變壓器的空載損耗值越低越好。2021年6月1日，新版的GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》標準實施，標志著配電變壓器也全面進入了能效時代。

如下圖所示是針對歷年來各型號干式配電變壓器（以1000kVA為例）的空載損耗值變化曲線。

圖 各型號干式配電變壓器空載損耗值變化曲線

可以看出，每一次型號升級，都是以空載損耗值明顯降低作為典型標志。

1 空載損耗降低的方式

空載損耗又稱鐵損，主要是由變壓器鐵心的硅鋼片產生的損耗，它的大小對變壓器的制造成本和經濟運行都有較大的影響。降低空載損耗主要有兩種方式：一種方式是改善硅鋼片的生產和裝配工藝，減少異常損耗，如減少接縫大小、采用多步進疊、消除切口毛刺等，但這方面對空載損耗提升的不明顯，而且無法采用量化的方式，不穩定，波動較大。另一種最主要的方式是采用較低單位鐵損的取向硅鋼片。如果想讓取向硅鋼片的單位鐵損降低，一方面可以降低磁密，但是因為降低磁密會顯著增大鐵心的重量（也就相當于變壓器的成本大幅增加），所以正常設計磁密以1.55～1.65T為宜，磁密過低將導致性價比很差，因此該方式的降低空間不大；另一方面可以選用更高牌號的取向硅鋼片，但這要取決于取向硅鋼片產業的發展。從目前看，以前7型變壓器普遍采用的是140普通冷軋取向硅鋼片，而現在18型可以采用070磁疇細化高磁感取向硅鋼片，070牌號與140牌號相比，單位鐵損直接降低了50%以上，而兩種硅鋼片的價格差遠低于50%，同時，采用低牌號的硅鋼片，硅鋼片用量更小，體積更小，也進一步降低了空載損耗和成本。可以看出，變壓器型號的升級與取向硅鋼片的性能升級是一致的，如果沒有取向硅鋼片的性能優化，想實現變壓器的空載損耗降低非常難。

2 變壓器溫升

變壓器溫升試驗有三種方式，模擬負載法、相互負載法和直接負載法。對于干式變壓器，正常情況下均采用模擬負載法進行，溫升值是通過短路試驗（提供負載損耗）和空載試驗（提供空載損耗）的組合來確定的，兩個試驗分別得到負載繞組溫升和空載繞組溫升，再通過計算，可得變壓器的總溫升。對于自冷干式變壓器，變壓器總溫升與負載溫升和空載溫升的關系為：

式中，Δθ為變壓器總溫升；Δθ1為變壓器負載溫升；Δθ0為變壓器空載溫升。

本文主要研究的是低壓空載溫升Δθ0即鐵心對低壓線圈總溫升的影響。對于F級絕緣變壓器，低壓線圈的總溫升限值不能超過100K，而鐵心與低壓線圈的距離很近，影響較大。另一方面，不同型號的變壓器因采用不同牌號的取向硅鋼片，雖然散熱性能相同，但是空載損耗存在較大的差異，進而導致鐵心對低壓線圈的空載溫升也存在較大的差異。因此，對鐵心對低壓線圈溫升的影響研究具有一定意義。

為了做到經濟設計，同時預留適當裕度，Δθ一般為90～95K為宜。而負載溫升Δθ1可以通過同類型結構的變壓器通過熱負荷進行經驗值轉換得出，這就需要對空載溫升進行研究才能得出性價比較高的變壓器結構。表1是為了達到相同的低壓總溫升95K，不同的空載溫升所對應的低壓負載溫升大小（單位：K）。

表1 不同空載溫升對應的低壓負載溫升

從表1可以看出，空載溫升每增加2K，負載溫升增加1～1.5K，空載溫升越低，負載溫升增加的越少。低壓負載溫升直接與繞組的用銅量相關，在保證性能的前提下，低壓負載溫升越高越好，變壓器才能做到越經濟。因此，控制了低壓空載溫升，就可以選取合適的低壓負載溫升，以保證低壓總溫升不超過設計要求。

3 低壓空載溫升的簡易表征值

低壓空載溫升存在非常多的影響因素，很難通過數學量精確的計算出來，只能采用熱仿真的方式，但熱仿真存在工作量大、耗時長的缺點，為了快速實現變壓器設計，需要選取有一個簡易表征值結合已有的空載溫升試驗數據達到設計估算的目的。

現在需要對影響空載溫升的鐵心結構和性能參數進行研究。經分析，鐵心對低壓空載溫升產生影響的性能參數有：鐵心直徑D，鐵心重量G，空載損耗P0。這三個參數直接影響了鐵心的溫升。

同時，空載溫升Δθ0與鐵心的發熱及鐵心的散熱面積有關。空載溫升正比于鐵心的發熱，反比于散熱面積，而鐵心的發熱即空載損耗，即：Δθ0∝P0/散熱面積。而鐵心的散熱面積為鐵心的表面積，即磁路長度×鐵心周長，即正比于磁路長度×D，因為鐵心重量G正比于鐵心截面積×磁路長度，即正比于磁路長度×D2，可知：鐵心重量G／散熱面積∝D，即鐵心散熱面積∝G/D。結合得：Δθ0∝P0×D/G。故，P0×D/G的值可以作為空載溫升的簡易表征值。

表2是某公司不同容量結構相近但損耗差異較大（使用不同牌號的取向硅鋼片）的變壓器鐵心簡易表征值所對應的空載溫升經驗數據。

表2 空載溫升經驗數據

在變壓器設計時，很容易得到鐵心的三個性能參數，進而得出簡易表征值，然后結合空載溫升經驗數據估算出近似的空載溫升大小。再進一步選取合適的負載溫升，以達到性價比最優。

4 影響低壓線圈溫升的其他因素

簡易表征值的結論僅適用于相似結構的變壓器低壓線圈空載溫升估算，對于結構差異較大的，需綜合考慮其他因素。比如，對于相同的變壓器，當低壓到鐵心的距離由10mm增加到15mm時，但材質由高牌號更換為次等牌號，此時簡易表征值增大了約15%，因為中間的散熱空間增加了50%，所以，實際的低壓空載溫升反而有所下降，這與之前的結論存在沖突，尤其需要在設計時注意。另外，低壓線圈溫升還與高壓線圈的溫升、低壓線圈到上下軛鐵的距離、低壓線圈到高壓線圈的距離也有一定的影響，如果這些值與經驗值差異很大，就有必要把這些影響因素也考慮進去。

5 結束語

本文提出了空載溫升簡易表征值的概念，并利用簡易表征值可以對相似結構的干式變壓器進行快速估算變壓器空載溫升及其對低壓線圈總溫升的影響。該方法可以大大提高設計的有效性，縮短設計周期，做到變壓器的性價比最優。但是，該方法還是屬于估算范圍，還需要在熱仿真的快速應用技術上取得突破，以適應變壓器快速設計的實際情況。