变压器磁场损耗与温度散布分析

李彦林 甘雨田 尹潇

（甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020）

在输变电系统中，变压器是比较贵重的电气设备，占据重要的地位。目前，我国输变电系统中运行的变压器，普遍存在负载率低、空载损耗较高的情况。空载损耗作为变压器运行的主要参数，与所带负荷的多少无关。对变压器磁场损耗与温度散布进行分析，对促进电力网运行的经济性，节省能源，具有重要的现实意义。

1 变压器的磁场损耗

变压器在运行时，由于电磁感应的作用，处在交变磁场中的铁芯会产生涡流，这种涡流在变压器被转化为热量直接释放在变压器的内部，这种损耗叫做铁损。外围绕制变压器使用的铜线存在着电阻，当电流流过时，铜线中的电阻会消耗一定的功率，这部分损耗变成热量而消耗，这种损耗叫做铜损。

变压器损耗，主要是铁损和铜损。变压器的铁损，包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三个方面，变压器的铜损，主要是变压器绕组的损耗，包含直流损耗与交流损耗。

铁磁物质的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线，如图1所示。

图1 B与H关系曲线

图1中的原点O，表示磁化之前，铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=O。当外磁场H从零开始增加时，磁感应强度B，也随之缓慢上升，如线段落0a所示；随后，随着H的增大，磁感应强度B的增长极为迅速，如段落ab所示；再往后，随着H的继续增大，磁感应强度B的增长又缓慢下来；当H值增至Hs时，磁感应强度B的值达到Bs，曲线oabs，为起始磁化曲线。

关于磁心损耗的计算方法，涉及的参数很多，而且不同的厂商，其损耗曲线也是差异很大的，查曲线是最好的办法。铁氧体磁芯损耗曲线如图2所示。

图2 铁氧体磁芯损耗曲线

变压器空载的时候也是有激磁电流的，激磁电流用来产生磁场。主要损耗在于激磁电流造成的铜损（激磁电流流过变压器绕做寄生电阻造成的损耗）和铁损（磁滞和涡流损耗）。空载的时候，变压器的一侧还是有电压的。变压器是由一次和二次线圈组成的，线圈电感很大，但是还是有部分电阻的，其三相本身可以构成回路，有电压，加之线圈也有一定的电阻，这时候会有一定的热损耗，这就是变压器的铜损；另外，线圈有电流，这部分电流在硅钢片中会形成磁回路，因为有磁回路，所以在变压器另一侧才有感应电压，但是电流形成的这部分磁回路，绝大部分是顺着硅钢片内部流动，硅钢片本身有一定的磁阻，这时候会形成磁滞损耗，还有一部分会与变压器中的其他物比如空气或者变压器油形成磁回路，而这部分能量也会损耗掉，这部分实际损耗的很小，很多情况下可以忽略，由磁场的产生而形成的这部分能量损耗，就是变压器的铁损。变压器40KHz工作频率下空载特性曲线如图3所示。

图3 40KHz空载特性曲线

我们知道，其他的半导体的损耗是可以测量和计算的。例如，电源输入为50W，输出为45W，实际的测试效率为90%。那么损耗为5W。我们分别计算或者测量整流二极管、桥堆、EMI元件、MOSFET等等，用5W减去这些损耗，最后即可得出变压器的损耗。

2 变压器的温度散布

在变压器运行过程中，其电磁场损耗，以及线圈中电流的流动，它们产生的电能损耗转化为热能，并不断扩散，导致变压器的温度升高，容易引起变压器设备的绝缘被破坏，加快设备老化，缩短使用年限，影响系统可靠运行。

铁损和铜损是变压器工作温度升高的主要原因，变压器的温度变化，及其他零部件运行时，在交变应力持续作用下，会产生热应力与变形，会造成变压器内部各种微观和宏观元件之间承受热机械应力，其机械、电气性能会衰减，逐渐丧失其所具有的绝缘性能，缩短变压器的使用寿命。为此，就要对温升损耗进行分析，对设计进行优化。

前期在设计变压器时，我们有一个粗略的计算，一般是先设定整机的效率，然后假定变压器的效率。但是产品做出来了，发现效率不够，这时就要做精确的计算了，验证变压器的效率是否达到设计的要求，是否需要进行优化。

变压器在正常运行中本身存在空载损耗和负载损耗，这些损耗都全部转换能热量，如果这些热量不让它散发出去，积累起来就会造成变压器温度过高，变压器的寿命就会大幅减少甚至烧毁，因此要进行冷却。此外还要考虑变压器的温度散布，即散热的布局。我们前期设计出来的产品，都是很粗糙的，在散热方面考虑的较少，如果可以准确的知道各个元件的损耗数据，在利用这些数据进行热仿真，在布板的时候可以更加优化，合理的布局，可以最大限度的散热，降低各元件的温度。

综上所述，变压器是输变电系统中较为重要且较贵重的电气设备。分析掌握变压器的磁场损耗和温度分布，对变压器设计和制造至关重要，有助于变压器的安全可靠运行，最大限度的延长变压器的使用寿命，节约能源。