发表时间:2011-10-09T10:06:33.180Z 来源:《魅力中国》2011年6月下供稿 作者: 张少军[导读] 大容量变压器运行时,绕组的安匝会产生很大的漏磁场。
◎张少军
(河北保定市唐县供电有限责任公司,河北 唐县 072350)
中图分类号:TM406 文献标识码:A 文章编号:1673-0992(2011)06-140-01
摘要:变压器运行时,绕组内通过电流,导线存在电阻,因此将在导线及引线中产生直流电阻损耗及线圈导线杂散损耗,对此进行技术分析提出优化技术措施是本文重心。
关键词:变压器;电阻损耗;杂散损耗;优化技术
变压器负载运行时,绕组内通过电流,由于导线存在电阻,因此将在导线及引线中产生直流电阻损耗,同时,由于漏磁场的存在,漏磁通将在线圈的导线中产生杂散损耗(包括导线的涡流损耗及不完全换位引起的环流损耗),及其他钢铁结构件中的杂散损耗。对于如何降低变压器的负载损耗我们应进行分析与探讨,并提出优化技术措施。 一、线圈导线及引线电阻损耗
1.线圈导线的电阻损耗。按Pr=m I2R W式计算,对于小容量配电变压器来说,负载损耗主要是绕组和引线的直流电阻损耗,由漏磁场引起的杂散损耗比例很小,计算式为:Pf =Pr×Kf / 100 W ,Kf为杂散损耗百分数,其值选取3%--8%。有时其杂散损耗可忽略不计。
2. 引线电阻损耗。当电流通过引线时,由于引线有电阻,从而产生引线损耗,它可用占线圈电阻损耗的百分数表示:Py=Pr×Ky / 100W,式中Pr为线圈直流电阻损耗(W),Ky为引线损耗百分数,当电流较大时,引线经过的铁件内会产生较大的涡流损耗,其损耗值需要我们注意。
二、线圈附加损耗的分析与计算
变压器绕组通过电流时,除了在铁心中产生链接主、副绕组的主磁通外,还产生只链接自身的漏磁通,这部分漏磁通过空气铁心或其他金属件闭合。大容量变压器运行时,绕组的安匝会产生很大的漏磁场。此时绕组的导线均处在漏磁场中,根据楞次定律,在闭合回路中产生感应电流(称为涡流),从而在导线中产生涡流损耗。在绕组范围内,漏磁通大部分是轴向分布的,但在绕组端部及安匝不平衡部分,也有幅向分量,这两个分量均会在绕组导线内产生涡流损耗。
当不考虑涡流影响时,我们假定轴向漏磁通密度随绕组宽度成线性分布如图(1),因纵向漏磁分布与线圈的几何尺寸有关,即在线圈端部及外径侧,漏磁不按直线分布,而是发散,而且线圈外部磁路具有一定的磁阻,最大轴向漏磁通密度也将减小,因此工程计算中,用下面公式表示:Bm=1.78×IWρ / Hx ×10 4 T ,式中,ρ —洛氏系数 ,IW为安匝数,Hx为线圈电抗高度(cm)。
上式中是假定在绕组所占的空间里,轴向漏磁通是相等的,因此轴向漏磁通在绕组中产生的涡流损耗与导线厚度的平方成正比。如果变压器为三绕组变压器,且运行方式为内—外绕组运行时,虽然中间绕组没有电流流过,由于它处于内—外绕组的主漏磁空道之中,即位于最大纵向漏磁场位置处,也存在涡流损耗。根据推导,其涡流损耗为按斜线分布时的3倍。 三、变压器杂散损耗的分析及改善措施
变压器运行时,由于漏磁场的存在,在穿过变压器各结构件时要产生损耗,统称为杂散损耗。包括漏磁在油箱、夹件、铁心拉板等金属件内产生的损耗。对于小容量变压器来说,其漏磁通较小,因此杂散损耗的比例很小,可忽略不记。当变压器容量很大时,随着容量、电流的增大,其漏磁通较大,漏磁场在钢结构件中引起的杂散损耗的比例也增大(通常30%—40%),需要对这部分损耗进行分析。 考虑到漏磁通路的复杂性,要精确计算是困难的,因此杂散损耗计算只能采用近似的方法计算。对于800KVA及以上的中大型变压器,目前工厂通用的简易计算方法为: Pzs = K×Ux×S kW (7),其中K为经验系数,Ux为阻抗电压,S为变压器容量(KVA)。对于K的取值,根据变压器的容量、结构及绕组数量等多个因素有关,是工厂根据自己的生产条件、制造工艺、试验结果总结出来的经验系数,各个企业有少许的不同,但对于制造来说,其精度已能满足生产要求。 (一)线圈漏磁对杂散损耗影响。
由于线圈漏磁要穿过各个钢结构件,其大小与钢夹件及油箱至线圈的距离有关,当钢压板或夹件至线圈距离愈大,而油箱至线圈距离愈小时,其幅向分量愈大;反之,当钢压板或夹件至线圈距离愈小,而油箱至线圈距离愈大时,其幅向分量愈小。而对于轴向分量则影响不大,且轴向漏磁(占总漏磁的80%-90%)引起的杂散损耗所占比例较大。
为了减小杂散损耗,工程上常将线圈附近的较大的金属结构件采用非磁材料制造。如用层压纸板或木板制作线圈压板;铁心夹件采用低磁钢板制造,这样,在这些结构件中产生的杂散损耗将会明显减少。但需要注意的是,采用层压纸板压板,相当于增大线圈端部距钢结构件的距离,这样会导致幅向漏磁通分量的增大,使线圈导线中幅向漏磁的涡流损耗增加,同时在线圈端部还会造成局部过热,因此对于线圈来说,为了减小线圈端部的局部过热,需要增大油隙以利于散热。对于油箱,通过的漏磁通较大,在其中产生的损耗(涡流损耗)和局部过热也较为明显。为减小油箱壁中的杂散损耗,国外曾采用非导磁材料制造油箱,如英国曾制造过铝油箱,但国内最为常见的办法是采用屏蔽措施:
(二)两种屏蔽减耗措施。
1.电屏蔽方式。它是在油箱内壁铺设铝板或铜板。当漏磁进入铝板或铜板后,在其中产生涡流损耗并随之建立反安匝,从而减少进入油箱壁的漏磁通,同时也就降低了油箱中漏磁损耗。从宏观上来说降低油箱壁中的漏磁损耗的效果较磁屏蔽差,但涡流反安匝作用的结果,却使绕组端部的漏磁通减弱了。对于容量大,电压不很高的变压器采用电屏蔽较好,它不但能减少油箱中的杂散损耗,同时能使漏磁力线弯曲程度减小,从而时线圈导线中的由幅向漏磁分量产生的涡流损耗减小。一般用铜板时其厚度取4-5mm,用铝板时其厚度取8-10mm比较合适。如果屏蔽太厚,既不经济,屏蔽效果也不会明显提高。
2.磁屏蔽方式。它是在油箱内壁铺设硅钢片。由于硅钢片导磁性能好,使漏磁通大量的进入损耗很小的磁屏蔽中,从而减少进入油箱壁的漏磁通。对于磁屏蔽的厚度,一般在30mm左右,其高度应超过线圈总高度,且应尽可能的高,否则漏磁通会绕过磁屏蔽而进入油箱
壁中,降低了屏蔽效果,同时也会产生局部过热。磁屏蔽铺设方式一般有立放(硅钢片与油箱垂直)和平放(硅钢片与油箱壁平行)两种。当立放时漏磁通容易进入磁屏蔽,在磁屏蔽中产生的杂散损耗较小,但由于油箱结构限制往往不能尽量增高;平放时则相反,但它可以随着油箱壁弯曲并可伸得很高。
对于变压器负载损耗来说,直流电阻损耗为主要部分,且与导线材质有关,因此使用优质铜导线是关键,这样可控制电阻损耗在允许范围之内。从上述分析可知,导线的涡流损耗与环流损耗及油箱等金属件的杂散损耗均由变压器的漏磁通引起的,因此,在变压器设计时应优化变压器的结构,将绕组的安匝分布调整至最佳,同时采取适当的工艺措施,减少绕组端部幅向漏磁,来降低这部分损耗。但应注意的是,控制绕组的安匝分布是难点,因为在对线圈进行干燥过程中,由于垫块等绝缘材料的限制及线圈整形的工艺原因,很难将安匝控制在理想状态。这就需要采取更先进的干燥设备和方法,如恒压干燥法,垫块预密化处理,使用恒温箱减少绝缘件的返潮等,可提高线圈轴向尺寸的可控性,保证其安匝分布,降低漏磁损耗。在降低变压器漏磁,减少杂散损耗的同时,需注意局部的磁场畸变,虽然其绝对值很小,但会引起局部的温升过高,影响变压器的稳定运行,避免顾此失彼现象发生。参考文献:
[1] 《变压器手册》编写组.电力变压器手册.辽宁科学技术出版社.1989
[2] 李文平.大型变压器的不平衡安匝对横向漏磁的影响.变压器.1991.28(12):14-16
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