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降低变压器空载损耗的新方法
1引言
  们国家要创建节约型社会，所以节能、环 保型产品将成为最近几年制造业发展的新方向。变 压器是电网中重要设备之一，降低损耗、降低噪声对 电网具有重要的经济意义。要达到节约能源，安全环 保，对变压器制造厂及电网来说，就是要制造或使用 低损耗、低噪声的变压器。
2降低变压器的空载损耗的意义
   空载损耗是变压器的重要参数 ，只要投入电 网，不论带多大负荷，空载损耗都是一样的，空载 损耗与变压器带负荷多少无关。如果一台变压器 的空载损耗能够降低 lOkW，运行一年可以节省电 能约 87 6o0kW·h，节约资金约 35 040元；如果按照 一台变压器使用寿命为 30年，运行 30年可以节约 资金 105万元，节约效果显著。要制造出空载损耗更 低的变压器，一方面要用单位损耗更低的硅钢片；另 一方面要改进结构和提高制造工艺水平，降低铁心 空载损耗。使用单位损耗更低的硅钢片会增加铁心 制造成本，而通过改进结构和提高制造工艺水平降 低空载损耗，即能够节约材料，又能节约成本和能 源，这将是变压器制造企业长期追求的目标。
3变压器的空载损耗
   要降低变压器的空载损耗，就要了解空载损耗 的组成，每部分的影响因素。针对这些影响因素，采 取一些可行的方法，达到降低空载损耗的目的。变压 器的空载损耗由磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗组 成，即 Po=Ph+   ，W (1) 3．1  磁滞损耗 铁心中的磁滞损耗在整个空载损耗中所占比重 随铁心的材质不同而有所不同(冷轧硅钢片为 25％ -50％)。磁滞损耗的经验计算公式为： 0．1 G，W (2) 式中 与材料有关的损耗系数 ．卜交变磁场的频率，Hz 一磁密峰值，T G——铁心质量，kg 3．2 涡流损耗 根据电磁感应定律原理，交变磁通在硅钢片内 产生感应电势。在这个电势作用下，产生电流 ，由 焦耳定律得到： =，e2R，W (3) 式中  ——硅钢片电阻，Q 单位重量的涡流损耗： 式中 Pe=4B．~K2d2x104／3pT，W／kg (4) 一磁通密度幅值，T d——硅钢片厚度，mm 硅钢片电阻率，Q·ram2／m ～硅钢片的密度，kg／cm2 蠢 ．产_-交变磁场的频率，Hz ——励磁电流波形系数 由式(4)可见，涡流损耗是与硅钢片厚度平方成 正比的，减小硅钢片厚度，能使涡流损耗降低。但厚 度减小后，引起叠片系数降低，冲剪和叠装工时增 多。 3．3 铁心附加损耗 ． 铁心附加损耗的大小主要由以下三个因素决 璺 定： 鞴 (1)材质特性。如硅钢片的方向特性 、加工劣化 特性及绝缘膜的特性等。 (2)设计结构。如心柱铁轭是否冲孑L，角部接缝 形状(对接、搭接、多级搭接)，铁心整体紧固结构等。 (3)工艺加工。如冲剪加工的尺寸精度和毛刺大 小、硅钢片在搬运和叠装过程中的轻拿轻放以及叠 装质量等。
4降低铁心空载损耗的新方法
   铁心的磁滞损耗和涡流损耗主要是由硅钢片生 产企业决定的。如果在保证心柱截面不变的情况下， 采取措施降低铁心磁通密度最大值或者降低铁心拐 角处局部磁通密度，也会降低铁心空载损耗。铁心附 加损耗是由变压器制造企业决定的。 4．1  改变每层叠片的数量，降低铁心空载损耗 铁心叠装时，每层叠片的数量一般为 l一3片。 数量越多，接缝处气隙的截面积越大，接缝处引起的 磁通密度畸变也越大，如图 l所示。由于磁通密度畸 变，使接缝处硅钢片磁通密度增大，引起空载损耗增 加。从图2可以看出，每层叠片的数量对空载损耗的 影响。 从理论上讲，采用一片一叠最好，但叠片工时和 插轭工时都将增加，其适用于小容量的铁心。但是对 于大容量的铁心，考虑到插装上铁轭的工艺要求，有 可能插装不到位，反而使空载电流和损耗增加，故一 般采用两片一叠。 混合叠片是变压器铁心叠片采用的一种新方 法，既能降低铁心空载损耗，又不增加多少工时。即 铁心总厚度的 1／3的中心部分 (主级)采用一片一 叠，接下来的 1／3部分采用两张片一叠，最靠外的 1／3部分采用三片一叠，总的叠装工作量并不增加 多少，但可以取得降低铁心空载损耗和空载电流的 效果，如图3所示。 按照混合叠片的方法，建立的模型试验的结果 如表 1所示。 实践证明，铁心中的磁通密度分布并不是均匀 的，中间部分的磁通密度低于额定值，外部的磁通密 度高于额定值，越靠外侧磁通密度越高 ，降低空载 损耗的方法之一就是使铁心各部分的磁通密度分 布趋于均匀。采用变更叠片数量的方法，可以调整 磁路的磁阻，从而可以调节磁通密度的分布。由于 铁心中间部分磁通密度偏低，因此采用一片一叠， 以使磁阻降低、磁通密度增加；由于外侧磁通密度 偏高，因此采用三张片一叠，以使磁阻增加 、磁通密 度减小，从而达到整个铁心磁通密度均匀，降低空 载损耗和空载电流的目的。从式(2)和式(4)可以看 出，降低局部最高磁密，磁滞损耗和涡流损耗必然 降低。 4．2 减小铁心搭接宽度，降低铁心空载损 既可以保证铁心强度，又可以改善铁心中的磁通分 配，减少拐角处磁通偏离硅钢片轧制方向，降低铁心 空载损耗。以一台 180MVA变压器铁心为例，具体 数据如表 2所示，铁心叠片图如图4所示。 表 2 铁心数据 Table 2  Core data 片宽  叠厚  改前出 改后出 每种叠 面积增 ／mm  ／mm  角／mm 角／mm 出角占心柱比例 厚／mm ~1]／cm 9l0 l28 20 20 2．2％  2．2％ 90o 56 20 20 2．2 2．2 262 880 78 20 20 2．3 2．3 860 58 20 l5 2．3 1．7 840 48 20 l5 2．4 1．8 820 30 20 l5 2．4 1．8 80o 38 20 l5 2．5 1．9 266 6．65 780 32 20 l5 2．6 1．9 760 32 20 l5 2．6 2．O 740 28 2O l5 2．7 2．O 720 26 20 lO 2．8 1．4 690 36 20 10 2．9 1．4 660 32 20 10 3．O 1．5 630 30 20 10 3．2 1．6 6o0 26 20 10 3．3 1．7 570 26 20 10 3．5 1．8 280 14 540 22 20 lO 3．7 1．9 50o 28 20 10 4．O 2．O 460 24 20 10 4．3 2．2 430 l6 20 lO 4．7 2．3 400 14 20 10 5．O 2．5 耗 一穴 在铁心叠片拐角处，心柱片与横轭片接 缝区搭接宽度的大小对变压器空载性能有 一定的影响。搭接面积大，磁通穿过的区域 便相应增大，从而造成空载损耗增大。根据 铁心模型试验得出，搭接面积每增加 1％， 45。接缝的空载损耗会增加 0．3％。要降低空 载损耗，必须研究在满足机械强度的前提 下，选择空载损耗与机械强度都是最佳的搭 接面积。 改变铁心叠片塔接面积，减小铁心中部 分三角空穴的大小，降低三角空穴处的局部 磁通密度，可以降低变压器空载损耗。我们厂原来 铁心叠片出角为 25mm，现已改为 20ram，取得一定 的降耗效果。如果一台变压器铁心采用三种出角， 即前几级因片宽较宽采用出角 20mm，中间部分采 用出角 15mm，后几级因片宽较窄采用出角 10mm， 从表 2中数据可以看出，改变铁心搭接面积后， 整个铁心在三角空穴处截面增加 20．65cm 。从图4 可以看出，三角空穴处引起截面增加的位置共 26 处，其中心柱 6处，上下轭 16处，边柱 4处，这些三 角空穴处局部磁通密度必然降低，从式(2)和式(4) 可以看出，磁滞损耗和涡流损耗必然降低。从铁心出 角占心柱片宽的比例上看，改进后的出角，会使整个 铁心在三角空穴处有几乎相同的承载能力。这不仅 有利于整个铁心磁通分布均匀，也减小了拐角处磁 通偏离硅钢片轧制方向的区域。出角减小使得磁力 线偏离硅钢片轧制方向的数量减少，克服阻力做功 减少，从而降低了铁心附加损耗。边柱截面与主轭和 旁轭截面不等时，这种改进的降耗效果较明显。 4．3 采用阶梯接缝降低铁心空载损耗 对于阶梯接缝的磁通分布，由于磁性钢片的磁 导率远大于空气，因此，在接缝处，磁通将通过铁心 片进入相邻的叠片，而不穿过空气隙，只有在相邻的 叠片饱和时，磁通才通过气隙。这种接缝形式把叠片 接缝左右方向错开，以求最大限度地降低空载损耗。 五级单片叠和两级两片叠接缝位置比较如图 5所 示，图5放大位置是图4的边柱与旁轭的接缝处，心 柱与上下轭片的接缝与其类似。取 10片片宽相同的 片进行叠片，从图5a可以看出，采用五级接缝叠完 10片时每个接缝处有两片；从图5b可以看出，采用 两级叠完 10片时每个接缝处有 5片。可见，五级接 缝大大改善了接缝处的横截面积，接缝处的磁通密 度大大降低，从而降低了空载损耗。另外，从图5中 还可以看出，采用五级接缝叠完 10片时，其中出角 20mm的有4片，出角 10ram的有4片，不出角的有 2片；而用两级接缝叠完 10片时，都是出角 20mm。 可见，五级接缝减小了拐角处磁通偏离硅钢片轧制 方向的区域，出角减小使得磁力线偏离硅钢片轧制 方向的数量减少，克服阻力做功减少，从而降低了铁 心附加损耗。 采用这种接缝的铁心避免了局部单位损耗高于 铁心其他截面处好几倍的现象，在磁通密度相同的 情况下，可以降低铁心的重量，因而大大地提高了变 压器的技术经济指标，为低损耗变压器的设计提供 了技术保证。 2005年末至今我们厂已经有多台变压器铁心 采用五级接缝单片叠，铁心的空载损耗与普通二级 接缝双片叠相比降低 15％左右，铁心的空载电流与 普通二级接缝双片叠相比降低 30％左右，铁心的噪 声与普通二级接缝双片叠相比降低 3dB左右。但该 种接缝铁心横剪和叠片加工工时将增加，套装插轭 工时也将增加。
5结论
   (1)改变铁心每层叠片数量的方法，能够降低铁 心空载损耗。 (2)减小铁心搭接面积 ，可以降低铁心空载损 耗。搭接面积选择的大小，与铁心叠片采用一片还是 两片，铁心垫块采用一级一托还是几级合并一托等 因素有关，可以根据产品结构确定搭接面积的大小。 (3)铁心采用多级接缝可以降低变压器铁心空 载损耗，可根据损耗要求和制造工期，选择不同的结 构。