非晶合金配电变压器在不同负载率下空载损耗的变化特性分析

2015-11-18张志键施闻博

电气技术 2015年11期

张志键施闻博董明

（上海置信电气股份有限公司，上海 200335）

节能减排、绿色环保作为国家一项基本国策，得到各方越来越多的关注，能源的节约使用已逐步成为人们的共识。以新型能源、节能技术、环保技术开发为核心的新型经济得到了国家的大力扶植，成为中国经济转型最为重要的发展方向。

变压器是电气行业最为重要的电气设备，也是重要的能源消耗设备。采用新材料、新工艺和新技术，降低变压器的电能损耗，减少有害气体的生成，一直是电气设备制造人员不懈追求的目标，也是促进变压器行业进步和发展的源泉和动力。非晶合金配电变压器正是这一适应发展趋势的节能环保设备。

近几年，非晶合金配电变压器以其卓越优异的空载损耗性能一直为市场及客户所称道。有部分专业客户提出，变压器在负载时的空载损耗是有所变化的，非晶合金变压器亦应如此，然而变化的大小，对节能量计算是否有较大影响，都尚无详细地论述。针对此问题，笔者就非晶合金配电变压器在负载情况下的空载损耗损耗变化进行了详细地理论推导，如有错误之处请批评指正。

1 非晶合金配电变压器空载损耗特性

2011年 8月，变压器的空载损耗即额定频率的额定电压，施加到一个绕组的端子，其他绕组开路时，变压器所吸取的有功功率。主要是变压器的铁心损耗（也常称“铁损”），其由铁心的磁滞损耗及涡流损耗所组成。

磁滞损耗是铁心在磁化过程中，由于存在磁滞现象而产生的损耗，该损耗与频率成正比，也取决于材料磁滞回线所包围的面积大小。磁滞回线面积越小，则铁心的磁滞损耗越少，反之则越大。自图1中可以看出，非晶合金材料的磁滞损耗远低于硅钢材料。

涡流损耗是线圈中交变电流产生的感应磁通在铁心中产生感应电流，该电流在垂直于磁通方向的平面内环流所产生的损耗。其与铁心片的厚度平方成正比，与铁心片的电阻率成反比。非晶合金的带材厚度一般为0.027mm左右，远低于硅钢带材，故其涡流损耗亦优于硅钢材料。

由上述内容可知，非晶合金材料的空载性能远优于硅钢铁心。

图1 磁滞曲线对比

2 非晶合金配电变压器空载损耗计算

通常变压器的空载损耗采用下面的公式计算[3]：

式中，P0为空载损耗（W），KP0为空载损耗附加工艺系数，根据工厂工艺条件确定硅钢变压器一般取1.08～1.15，ρ0为铁心在额定工作条件下的单位损耗（W/kg），GFe为铁心总重（kg）。

非晶合金配电变压器的空载损耗是依据损耗曲线来求取的。但是，非晶合金材料经过各道工序制作成矩形铁心之后，非晶合金的单位损耗与原来厂家提供的曲线数据有一定的差别，需进行修正。因此，采用了新的非晶合金材料损耗计算公式：

式中，K2为系数，Bm为铁心磁通密度（T），B1为带材单位损耗测试磁通密度（T），M为比例系数，为2.4。

通过对非晶合金配电变压器制造完成后的变压器空载损耗进行测量，经过统计确定出相应的K2、B1、m的值来实现的，因此该公式计算得到的结果更符合实际情况。

由上述式（1）可知，非晶合金配电变压器的空载损耗大小与磁密Bm的m次方成正比。

3 非晶合金配电变压器在不同负载率下的损耗变化

3.1 等效电路

从上述式（1）可知，变压器的空载损耗取决于变压器磁通密度Bm的大小，而磁通密度Bm与线圈的每匝感应电势ez成正比。所以，空载损耗正比于感应电势E1。

通过折合算法[4]（保持二次绕组的磁动势不变，将其匝数变换为与一次绕组的相同，称为二次绕组向一次绕组折合，或二次绕组（二次侧）折合到一次绕组（一次侧）。），将二次绕组折合到一次绕小组时，一次侧的量为实际值，二次侧的量均为折合值。折合后，可得等效方程式

根据折合后的基本方程式，可画出变压器负载运行时的等值电路如图2所示。

图2 等效电路图

当变压器处于不带负载的空载状态时，由于空载电流很小，可忽略不计，则E1≈U1。

随着负载率β 的升高，电流 I1逐渐增大。若输入端 U1恒定，则感应电势 E1应有一定压降，且由于感应电势E1正比于磁密Bm，而磁密Bm的m次方又正比于变压器空载损耗P0，则当E1下降时，空载损耗P0有相应（按指数比例）下降。

3.2 理论推导

根据折合后的基本方程式，可以画出变压器稳态负载运行时的向量图如图3所示。为计算方便，便于理解，将其等效为图4。

以一台额定容量为 400kVA的油浸式非晶合金配电变压器为例，假设其功率因素cosθ =0.9，则根据国标GB/T 25446—2008[1]可知，短路阻抗Z=4%，负载损耗Pk=4520W，求变压器负载率β =0.4时的电压降和空载损耗。

图3 变压器相量图

图4 等效相量图

根据相量图一次侧输入电压U1与电流I1间的夹角θ 为：（说明一下，R是电流、电阻产生的损耗阻抗，平行于I1）

根据短路阻抗中电阻分量的公式，得出

又因为短路阻抗Z=4%，其电阻分量R=1.13%，则夹角θ1为

假设一次侧阻抗占比为k1=0.55（注：与总阻抗的比值，实际电磁计算时，由于高低压绕组为同心式布置，且低压（二次）绕组在内，高压（一次）绕组在外，根据实际计算后结果显示，一次绕组占比较多而二次绕组占比较少，且由于各设计人员设计取值及计算结果不同，故占比只能根据长期的计算数据统计，取一个大致的约数），则得到一次侧阻抗分量为

根据三角形余弦公式，得

令U1=1V，且Z1=0.88%、∠θ2=47.75°，代入式（2）得

所以，当负载率β=0.4，且一次侧阻抗占比为k1=0.55时，400kVA非晶合金配电变压器的一次侧感应电动势 E1=0.9944U1，E1相较空载状态下时下降了 0.56%，则每匝电势 et同比例下降。同样的，根据磁通密度Bm的理论式[3]，Bm亦呈同比例下降。根据空载损耗式（1），其实际空载损耗应为理论空载损耗的0.9944m倍，数值呈减少趋势。