电力变压器负载损耗的影响因素及设计偏差分析

黄 华

(正泰电气股份有限公司，上海 201614)

由于电力变压器漏磁通分布的复杂性、材料特性的分散性以及结构件的不规则形状及位置分布，使得精确求解电力变压器的负载损耗显得比较困难。然而，研究如何去相对准确地(如使负载损耗设计值与试验值偏差控制在±2%以内)计算变压器的负载损耗是非常必要的[1-2]。负载损耗设计值与试验值的偏差越小，就越有利于准确地实施变压器整体成本控制策略，并可杜绝结构件局部过热的风险，为变压器的可靠性设计提供保障。

本文从分析影响负载损耗大小的各因素出发，对变压器产生负载损耗设计偏差的各种原因进行归纳与梳理。

1 负载损耗的影响因素

一般地，变压器的负载损耗可用下式来表达，即

Pk=Pdw+Pdl+Pea+Per+Poe+Pci

(1)

式中Pk——变压器的负载损耗，W；Pdw——绕组的直流电阻损耗，W；Pdl——引线的直流电阻损耗，W；Pea——绕组的轴向涡流损耗，W；Per——绕组的幅向涡流损耗，W；Poe——金属结构件的杂散损耗，W；Pci——环流损耗，W。

从式(1)可知，Pdw、Pdl、Pea、Per、Poe、Pci是影响负载损耗大小的六个因素。无论是负载损耗的优化设计还是寻求其设计值与试验值的偏离原因，都应立足于这六个损耗影响因素来分析。

1.1 绕组的直流电阻损耗

变压器绕组的直流电阻损耗表述如下：

(2)

式中Ii——第i个绕组的电流有效值，A；Ri——第i个绕组的直流电阻，Ω。

由式(2)可知，Ii和Ri是影响变压器绕组的直流电阻损耗Pdw大小的两个核心变量。显然，变压器绕组直流电阻损耗的设计偏差也来自下面两个方面。

(1)Ii数值计算不准确。对于普通的电力变压器，此情形一般不会出现。而对于特殊结构的电力变压器，则有可能出现某一或某些绕组Ii值计算不准确的情形。如轴向分裂变压器在分裂运行时非分裂绕组内的载流大小、旁柱调自耦变中励磁绕组的电流、主变调变混合调压时各绕组的电流大小分配等。

(2)Ri设计值与试验值存在差异。导线电阻率的设计值与实际值并不完全相同。如当需要增强绕组的短路能力时，导线的屈服强度会有所增加，其电阻率也会相应增加；此外，同一绕组的导线可能采用了不同截面的线规，而设计时未加以详细考虑。

对一般的电力变压器来说，变压器绕组的直流电阻损耗Pdw约占比整个负载损耗Pk值的80%。因此，Pdw值的准确设计是实现Pk值准确设计的重要前提之一。

1.2 引线的直流电阻损耗

对于大多数电力变压器来说，变压器引线的直流电阻损耗Pdl占比很小，一般为负载损耗Pk的1%左右。

对于匝数特别少(如10匝左右)的大电流绕组，由于引线的全部长度与绕组本身的导线总长相比，占有相当大的比例。因此，此时引线的电阻损耗亦占有相应绕组直流电阻损耗很大的比例。

以一台7 000 kVA,35 kV/0.46 kV的双绕组变压器为例，低压引线的直流电阻损耗Pdl设计值约为7 kW，占整个负载损耗Pk的10%左右。

可见，在某些情况下(如小容量低电压产品)，引线的直流电阻损耗也可能成为影响负载损耗大小的重要因素之一。

1.3 绕组的轴向涡流损耗

绕组的轴向涡流损耗Pea是指由交链绕组的轴向漏磁在绕组中所引起的涡流损耗。

变压器绕组的轴向涡流损耗Pea可用下式来表达：

(3)

式中K1——与导线电阻率有关的常数；f——变压器的工作频率，Hz；ai——第i根小导线的幅向厚度，mm；bi——第i根小导线的轴向宽度，mm；Bi——第i根小导线处的平均轴向磁密峰值，T；Di——第i根小导线的平均匝长，mm。

由式(3)可知，变压器绕组的轴向涡流损耗Pea近似地与导线的轴向宽度bi成正比，与导线的幅向宽度ai的三次方成正比，与轴向磁密峰值Bi的平方成正比。

因为轴向磁密Bi值分布与计算相对简单，变压器绕组的轴向涡流损耗Pea一般可以获得相对准确的设计值，工程设计中出现的设计偏差常见于如下情形。

(1)非载流绕组的轴向涡流损耗。当非载流绕组置于其他载流绕组之间时，尽管其直流电阻损耗为零，但由于其处在恒定的漏磁场中，相应绕组的轴向涡流损耗具有一定的大小。

(2)电流相位不一致的绕组。当绕组电流相位不一致时，不能按传统方法计算导线的轴向涡流损耗，否则，可能引起较大的设计偏差。

1.4 绕组的幅向涡流损耗

绕组的幅向涡流损耗Per是指由交链绕组的幅向漏磁在绕组中所引起的涡流损耗。

变压器绕组的幅向涡流损耗Per可用下式来表达：

(4)

从准确计算的角度来说，绕组的幅向涡流损耗Per不应在计算中忽略。在下列情形下，其值甚至有可能超越其对应轴向涡流损耗Pea的大小。

(2)带分接区域的绕组。对于自身带分接抽头的绕组，在分接区域附近，相关绕组的幅向漏磁较大，与此区域对应的导线幅向涡流损耗也可能较大。

(3)电抗高度不等的主绕组。当主绕组的电抗高度相差较大时(如超过3%)，则绕组的幅向漏磁往往较大，此时绕组的幅向涡流损耗则极有可能达到一个非常高的数值，成为负载损耗的主要分量之一。

从负载损耗优化设计的角度出发，变压器设计应尽可能规避这些情形，以大幅减少绕组的幅向涡流损耗Per的大小。

1.5 金属结构件的杂散损耗

金属结构件的杂散损耗Poe本质上是绕组空间外的漏磁与金属结构件相交链而引起的涡流损耗与磁滞损耗之总和。

目前，尚未有统一的公式来精确计算分布于变压器油箱内外金属结构件的杂散损耗，一般采用经验公式进行估算。

电力变压器的杂散损耗主要分布于油箱、夹件、拉板、铁心最外层硅钢片中。此外，大电流引线在邻近金属结构件引起的杂散损耗也应被计入。

1.5.1油箱中的杂散损耗

油箱中的杂散损耗主要分布于箱壁和箱盖。箱壁的杂散损耗主要由绕组本身的漏磁引起，而箱盖(包括升高座)的杂散损耗则主要由大电流引线的漏磁产生。

在箱壁内表面敷设磁屏蔽是一种有效降低箱壁杂散损耗的传统方法。磁屏蔽降低杂散损耗的效果与磁屏蔽的敷设面积与方式、最外层绕组至油箱内壁的距离、绕组的容量与短路阻抗均有一定的关系。

一般情形下，油箱磁屏蔽总是能起到一定的降低杂散损耗的效果，且变压器额定容量越大、短路阻抗越高，效果越明显。但当磁屏蔽设计不合理时，则起不到预期的降低杂散损耗的效果。如下列情形。

(1)当绕组距离箱壁距离较大时。如有载调压的电力变压器，由于最外层绕组至有载开关侧箱壁距离较远(一般在800 mm以上)，则有载开关侧的箱壁此时已没有必要敷设油箱磁屏蔽；

(2)单相变压器的磁屏蔽水平布置时。油箱磁屏蔽可沿水平或垂直方向布置，两种布置方式降低杂散损耗的效果接近，但机理不完全相同。

当磁屏蔽垂直布置时，每相绕组的漏磁通过磁屏蔽形成一个相对独立的磁回路；当磁屏蔽水平布置时，三相的漏磁通过一个磁回路而实现大部分的中和。对于单相变压器而言，当油箱磁屏蔽水平放置时，无法产生预期的降耗效果。

1.5.2夹件中的杂散损耗

夹件中的杂散损耗是整个金属结构件中杂散损耗的主要分量之一，对于大容量变压器(如三相100 MVA以上)而言，若不采取任何措施，则夹件的杂散损耗有可能占变压器整个杂散损耗50%以上。

绕组端部至铁轭的距离对夹件的杂散损耗有着明显的影响。距离越大，杂散损耗越小。

由于变压器绕组下端部至下铁轭的距离往往比绕组上端部至上铁轭的距离小很多(出于绝缘设计考虑)，则一般下夹件比上夹件的杂散损耗大很多。

起压紧作用和支撑作用的夹件支板，应尽可能减少其宽度，以降低杂散损耗。

超大容量、特高阻抗的电力变压器，一般采用如下方法来降低夹件中的杂散损耗：

(1)增大绕组端部至铁轭的距离。即确定绕组端部到上下铁轭距离时，除了考虑“电气距离”和“机械距离”外，还应考虑“磁距离”；

(2)夹件采用无磁钢板。当部分或全部夹件采用无磁钢板后，相比普通导磁钢板，由于磁导率的大幅降低，夹件上漏磁密也随之大幅降低，夹件的杂散损耗将大幅减少；

(3)采用器身磁屏蔽技术。利用硅钢片的高导磁特性，仿效油箱磁屏蔽的原理，在绕组端部的压板和托板设置一定形状的磁屏蔽，将端部漏磁的绝大部分导入铁心硅钢片中，最大限度地避免漏磁与夹件的交链程度，从源头上大幅度降低夹件的杂散损耗。

此种降低夹件杂散损耗的“器身磁屏蔽”技术特别适用于超大容量的变压器。如我公司生产的780 MVA/220 kV发电机变压器，在采用“器身磁屏蔽”技术后，整体的杂散损耗可减少约100 kW，占整个杂散损耗的40%左右。

1.5.3铁心最外层硅钢片中的杂散损耗

除了主磁通会在铁心硅钢片中产生空载损耗外，漏磁通也会产生附加的损耗，主要集中于最外层一级的硅钢片中。

对于不同类型的变压器来说，漏磁通产生的附加损耗占整个杂散损耗的比例不同。对于有些类型的产品，这部分的附加损耗可能成为整个杂散损耗的主要分量之一。

目前，降低此类杂散损耗的方法一般在最外层一级的硅钢片开槽，即将一个整体的大宽片分解成几个小宽片。

1.5.4铁心拉板中的杂散损耗

铁心拉板中的杂散损耗主要由靠近铁心侧的载流绕组的幅向漏磁引起，其数值大小近似地与拉板厚度成正比，与拉板宽度的3次方成正比，并与幅向漏磁密的大小以及覆盖长度相关。

仿真计算表明，铁心拉板如果结构设计合理(如绕组两端流入的幅向漏磁可在拉板回路中实现大部分中和)，即使采用导磁钢板，其中的杂散损耗也是一个非常小的数值，其占整个杂散损耗的比例很小，可以忽略不计。

以我公司生产的780 MVA/220 kV三相电力变压器为例，六件拉板损耗总和的计算值仅为1.3 kW。

这里需要注意的是，如果拉板与夹件等金属部件形成一个导电的回路，则这些金属部件上会有一定大小的环流损耗。

1.5.5引线所引起的杂散损耗

引线所引起的杂散损耗是指引线产生的漏磁与邻近的金属结构件相交链而产生的附加损耗。当引线中通过的电流较大(如2 000 A以上)时，其在邻近金属结构件所引起的杂散损耗可能较大，例如下列情形。

(1)绕组首末端出头与夹件磁距离不够。特别是当大电流的低压绕组置于靠近最内侧(靠近铁心侧)时，绕组首末端出头处的引线周围存在较大的漏磁，则势必会在邻近夹件上引起较大的杂散损耗。

一般解决此问题的方法有三种：一是将靠近大电流引线的夹件更改为无磁钢板；二是将绕组设计成U型结构，其首末端同时从上或下引出；三是将大电流的绕组设计于远离夹件的位置，如最外侧。

(2)大电流引线在箱盖及周围引起的杂散损耗。当大电流引线穿越箱盖进入套管时，会在箱盖、升高座及周围的金属结构件产生一定大小的杂散损耗。

某些情况下，此杂散损耗的数值可能较大。如离相布置的低压升高座，当箱盖未采取任何磁路处理措施的情况下，三相分离的大电流引线则会在附近的金属件(尤其是升高座之间的箱盖)产生较大的杂散损耗 。

以一台80 MVA/110 kV双绕组变压器为例，低压线电流为4 400 A，箱盖采用普通钢板，低压升高座(采用无磁钢板)离相布置。通过试验对比发现，当在低压升高座相间的箱盖采取合理隔磁处理措施后，负载损耗可减少10 kW左右。

1.6 环流损耗

变压器的环流损耗Pci主要是指绕组并联导线换位不完全引起环流而产生的附加损耗，其数值与导线所处的漏磁密大小以及不完全换位的程度有关。

由于漏磁场分布的空间复杂性，绕组的设计很难做到绝对的完全换位。一般意义上“换位完全”的变压器，也总是存在或多或少的环流损耗。

环流损耗较小的情形是可以接受的，比如位于主绕组最外侧的调压绕组，由于漏磁密数值很小，即使绕组导线不换位，所产生的环流损耗也很小，计算中完全可以忽略。

实际变压器设计中，下列情形下的绕组换位问题往往容易被忽视，可能成为负载损耗设计误差的主要来源。

(1)调压绕组位于主漏磁空道之间时。当调压绕组位于绕组主漏磁空道之间时，尽管各幅向并联导线处于相同的纵向磁密中，但由于所包围的漏磁面积不同，各导线的漏感电势并不相同，加之调压绕组的电阻很小，并且分接较多，则总体上有可能产生较大的环流损耗。在特殊情况下，其数值可能达到所有绕组直流电阻损耗总和的数倍之多。

(2)存在分接区的主绕组。无励磁调压的电力变压器，分接区往往会设计在主绕组上。此时，如果绕组分接区的导线为幅向多根并绕，则变压器绕组的换位问题应在不同分接下考虑。

2 负载损耗的设计偏差分析

理论上，当只有把负载损耗的各个分量都准确计算后，总体的负载损耗值才能得到准确计算结果。

对不同类型的电力变压器来说，影响负载损耗的每一个因素，都可能最终成为影响负载损耗设计准确度的主要因素。

当负载损耗设计值与试验值出现较大偏离时，在排除试验误差后，一般是由下列原因之一或组合引起的。

(1)各绕组的电流分配大小或绕组电阻值计算不准确；

(2)引线的电阻损耗计算不准确或未计算；

(3)绕组的轴向涡流损耗计算不准确或未计算，如位于主空道的非载流绕组；

(4)绕组的幅向涡流损耗计算不准确或未计算，如主绕组电抗高度不等、绕组端部线规轴向宽度较大时、绕组中部设置有调压分接区时等情形；

(5)油箱壁的杂散损耗计算不准确，如油箱磁屏蔽设计不合理时；

(6)夹件中杂散损耗计算不准确，如大容量变压器的产品，未考虑绕组端部到上下夹件的“磁距离”，也未采取任何有效的漏磁控制措施；

(7)铁心最外层硅钢片中的杂散损耗未考虑。如对大容量、高漏磁变压器，未采取相应的措施来降低此杂散分量；

(8)大电流引线引起的杂散损耗未考虑。如大电流绕组端部出线距离夹件磁距离不够，大电流引线穿越箱盖或升高座时未实施相关隔磁、导磁处理措施等；

(9)结构设计不合理导致存在环流损耗。如位于主绕组漏磁空道的调压绕组未换位、拉板与夹件形成导电的回路等。

3 结语

通过分析发现，影响电力变压器负载损耗大小的因素众多，并且任何一种影响因素都可能成为主要的影响因素。

因此，当变压器负载损耗设计值与试验值存在较大偏差时，应结合该变压器的自身特点，并对照所描述的负载损耗影响因素及设计偏差原因，采用排除法进行逐一分析。必要时，应采用三维仿真软件进行更加准确地计算。

此外，当反映变压器杂散损耗大小的杂耗系数偏大时，也可以采用本文所描述的理论对照分析，以便在设计阶段即实现最优化的杂散损耗，从而为变压器负载损耗的优化设计奠定基础。