陈名英

（中国水利水电第八工程局，湖南长沙 410001）

0 引言

变压器是电力系统中最主要的电气设备，其能耗的降低对于电网高效运行具有重大意义。在进行电力变压器空载损耗形成原理及影响因素分析的基础上，提出电力变压器空载损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和铁芯附加损耗等具体形式，并对引起和影响各种空载损耗类型的主要因素进行分析，最后从变压器铁芯混合叠装、控制铁芯搭接宽度、采用阶梯接缝等角度提出电力变压器空载损耗降低及控制措施。

1 电力变压器空载损耗概述

空载损耗为电力变压器设备的重要控制参数，其取值大小与变压器负荷无关，也就是说只要变压器投入电网，无论空载还是带负荷运转，空载损耗均一致。影响电力变压器空载损耗的因素主要有铁芯结构、加工工艺、硅钢片材料性能等，为降低电力变压器空载损耗，最好使用单位损耗低的硅钢片材料，同时改进其结构形式和制造工艺水平。但是，单纯依靠低能耗材料的使用反而会使铁芯制造成本增大，而通过优化结构形式及制造工艺水平，既能节省材料成本，又能取得较好的变压器空载损耗降低效果。

在实践中，主要通过改进铁芯结构，优化铁芯搭接方式、调整搭接宽度，改变铁芯片宽等降低电力变压器空载损耗[1]。

2 电力变压器空载损耗的组成

为取得最佳的电力变压器空载损耗降低效果，必须充分了解其空载损耗的组成情况及各部分可能的影响因素，并有针对性地采取措施，达到节能降耗的目的。电力变压器空载损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗、铁芯附加损耗等部分。

（1）磁滞损耗：电力变压器铁芯在交变电流周期性变化的影响下，其铁磁材料偶极子的排列也随之表现出明显的周期性变动，在磁滞现象的影响下引发其铁芯交变磁化功率损失，即为磁滞损耗。

（2）涡流损耗：铁芯内穿过的磁通发生变化，则会引发铁芯内产生涡流，并围绕垂直于磁通向量的平面环流。这种涡流引发的磁化力对原磁化力所产生的阻止和抑制性作用即为涡流损耗。电力变压器涡流损耗与硅钢片厚度的平方成正比，通过控制硅钢片厚度，就能取得较优的涡流损耗降低效果；但是硅钢片厚度降低还会同时引起叠片系数下降，增大冲剪和叠装的工时。

（3）铁芯附加损耗：电力变压器铁芯附加损耗主要受硅钢片方向特性、绝缘膜特性、加工裂化特性等材质特性因素，铁芯接缝形式、铁芯叠加方式、搭接宽度等设计结构因素，冲剪尺寸、毛刺、叠装质量等加工工艺因素的影响。

3 降低电力变压器空载损耗的方法

在上述电力变压器空载损耗组成形式中，电力变压器铁芯磁滞损耗和涡流损耗主要由硅钢片生产企业决定，变压器铁芯附加损耗则由变压器制造企业决定，所以电力变压器生产企业和制造企业是控制变压器空载损耗的主体[2]。

3.1 控制铁芯搭接宽度

电力变压器铁芯叠片拐角处的横轭片和芯柱片搭接宽度对变压器空载损耗有一定程度的影响，搭接面积越大，则磁通所穿过区域的面积越大，空载损耗也越大。结合试验结果，当搭接面积每增大1%时，接缝角度45°处的空载损耗会增大0.3%，所以，必须在机械强度得以满足的基础上，进行机械强度和空载损耗达到最佳的搭接面积的确定。为此，提出调整变压器铁芯叠片搭接面积的方案，即减小铁芯中部三角空穴面积，并使三角空穴处磁通密度降低，旁轭搭接宽度为芯柱截面的47%，主轭搭接宽度为芯柱截面的53%，既能确保铁芯强度，又能改善铁芯磁通分配，控制磁通偏离方向，降低空载损耗。从变压器铁芯出角在芯柱片宽中的占比来看，出角改进后三角空穴处铁芯承载能力提升，既使铁芯叠片拐角处磁通偏离硅钢片轧制方向区的面积减小，又有利于铁芯磁通均匀分布。

出角的减小还使磁力线与硅钢片轧制方向的偏离程度减轻，阻力做功减小，变压器铁芯附加损耗降低，并且当边柱截面、旁轭和主轭截面面积不相等时，损耗降低效果更为明显。

3.2 变压器铁芯混合叠装

在进行电力变压器铁芯叠装时，每层主要放置1～3 片叠片，且叠片数量越多，接缝处气隙截面积越大，引发接缝处磁通密度的畸变程度也越大。磁通密度发生畸变后导致接缝处硅钢片磁通密度变大以及空载损耗增大。按照这一过程来看，一片一叠的方式所引起的接缝处磁通密度的畸变最小，空载损耗也最小，但是一片一叠的情况下叠片工时和插轭工时均增大，对于大容量铁芯并不适用，反而会因插装不到位而使空载损耗增大，所以大容量铁芯通常采用两片一叠。

混合叠片是降低电力变压器铁芯空载损耗并节省叠片工时和插轭工时的铁芯叠片新方法，即在铁芯总厚度1/3 部分一片一叠，在外部1/3 部分两片一叠，最外侧1/3 部分三片一叠，不增加总的叠装工作量，并能有效降低电力变压器铁芯空载损耗和空载电流，试验结果见表1。

表1 不同叠片数量与铁芯空载损耗和空载电流的关系

电力变压器铁芯内的磁通密度分布并不均匀，且中间部分磁通密度通常比额定值低，外部磁通密度比额定值高。这也为降低空载损耗提供了思路，即通过调整铁芯叠装使铁芯各部分磁通密度趋于均匀分布。铁芯中间部分磁通密度低，所以一片一叠，以增加磁通密度，而铁芯外部磁通密度高，则三片一叠，以降低磁通密度。

3.3 采用阶梯接缝形式

磁性钢片磁导率比空气大，所以接缝处的磁通将直接通过铁芯进入相邻叠片，当相邻叠片磁通饱和后才会穿过空气隙，为最大限度降低空载损耗，应将叠片接缝错开呈阶梯形布置。根据试验可知，随着电力变压器铁芯接缝级数的增多，区域内局部损耗呈降低趋势，但是硅钢片剪切、铁芯叠装工时、叠片加工难度等随之增大。在三级接缝形式下，通过加强片型的合理选择，并在芯柱中只使用一种片型，在略微增加工艺复杂程度的情况下便能显著改善磁性能。所以，使用三级接缝形式是理想的改善交错接缝铁芯的做法。试验结果显示，当铁芯柱截面不变时，三级接缝形式空载损耗比交错接缝形式下降9%～10%，在三级接缝形式下芯柱仅增加1 种片型，剪切硅钢片、叠装铁芯的施工难度略微增大，但是取得的空载损耗降低成效较为显著。

如果采用五级接缝形式，则接缝处横截面积显著增大，接缝处磁通密度显著降低，空载损耗随之降低。此外，五级接缝形式还使拐角处磁通偏离硅钢片钆制方向的区域面积减小，进而导致磁力线偏离硅钢片钆制方向的数量减少，铁芯附加损耗以更大幅度降低。但是五级接缝形式下，剪切硅钢片、叠装铁芯的施工难度和工艺复杂程度会显著增大，综合考虑施工难度、工艺复杂程度及空载损耗降低幅度，推荐使用三级接缝形式（图1）。

图1 铁芯三级接缝磁力线

4 结束语

综上所述，电力变压器空载损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和铁芯附加损耗等形式，且各种损耗形式均主要与铁芯叠装方式、铁芯搭接宽度及磁性钢片接缝形式等有关，改变铁芯叠片数量并采取变压器铁芯混合叠装、控制铁芯搭接面积、并采用三级阶梯式接缝形式均能有效降低电力变压器空载损耗。除以上因素外，变压器铁芯制作过程中铁芯毛刺大小、硅钢片弯曲程度、铁芯片夹紧程度等因素也会对其空载损耗产生不同程度的影响，应当予以重视。