三相变压器的损耗研究与优化设计

1、安徽机电职业技术学院 毕 业 论 文 三相变压器的损耗研究与优化设计系 别 电气工程系 专 业 电机与电器 班 级 电机3121班 姓 名 王家朝 学 号 指导教师 王晨 2014 2015 学年 第 一 学期摘 要 三相变压器是电力系统中输配电力的主要设备，在电力系统中，三相变压器的总安装容量为发电机安装容量的68倍。近年来，随着能源的日趋紧张，对于变压器这一重要用电设备进行节能设计越来越受到人们的重视。此设计主要从三相变压器的损耗与优化角度考虑。对变压器进行优化设计的原则就是满足性能条件下，减小变压器的损耗及有效材料成本。在具体优化过程中，往往需要专业人才反复调整和计算的过程使得保证：安全

2、、可靠、优质、经济的条件下，进行安装调试；本文主要对影响电力变压器制造和运行成本较高的损耗问题，在查阅了大量的实际应用文献资料的基础上对其进行了全面、深入的研究，取得了一些具有理论和实践相结合的成果。1. 研究变压器的空载损耗，就空载损耗附加系数、单位损耗、性能指标等进行数据对比分析，统计出空载损耗附加系数，讨论影响空载损耗附加系数的各种因素，提出减小空载损耗的措施。2. 深入研究变压器的负载损耗，就影响变压器安全运行、造成变压器局部过热、绕组涡流损耗、结构件杂散损耗等进行分析，提出降低涡流损耗、杂散损耗的具体措施。可以有效的提高变压器的可靠性和经济性，使其更好的在电力系统中发挥功用。3. 在

3、现代电力系统中发生不对称短路时，其短路电流产生较强的不平衡交变磁场，对其周围的供电设备和通信线路产生电磁干扰，影响其正常运行，进行短路电流计算，使所选的变压器具有足够的动稳定度和热稳定度，确保三相配电系统发生短路不致倍损坏，造成不必要的损失，从而保证供配电系统安全稳定运行。4. 对变压器性能数据进行约化，建立优化设计模型，用漏磁场分析短路阻抗和短路电动力等，选择全局优化方法用于变压器的电磁优化设计；编制、调试完成三相电力变压器电磁优化设计程序，应用于多台电力变压器优化设计，具有很大的实用价值。关键词：三相油浸式变压器；空载和负载损耗；杂散损耗，瓦斯保护系统，优化设计； 引 言 观研天下（Ins

4、ight&）发行的报告书中国三相变压器行业竞争分析与投资前景评估报告(2014-2019)主要研究行业市场经济特性（产能、产量、供需），投资分析（市场现状、市场结构、市场特点等以及区域产业市场分析与盈利前景预测报告）、竞争分析（行业集中度、竞争格局、竞争对手、竞争因素等）、工艺技术发展状况、进出口分析、渠道分析、产业链分析、替代品和互补品分析、行业的主导驱动因素、政策环境、重点企业分析（经营特色、财务分析、竞争力分析）、商业投资风险分析、市场定位及机会分析、以及相关的策略和建议。 中国变压器制造行业是一个充满机遇与挑战的行业，只要不断提高技术含量，满足用户安全稳定可靠的运行要求，尽可能的降低损

5、耗，在保证高效率的前提下，生产出高质量的产品，就必须在产品开发上下工夫；过去处于受理论和计算方法的限制，产品的可靠性问题未能很好的解决。比如产品的漏磁损耗、局部过热问题，都不能有效解决。随着电力工业向着“高电压、大电网”的方向发展，设备的安全可靠性成为用户选择产品的前提，因此优化计算的目标也应随时调整， 国内变压器行业在计算软件方面发展部均衡，几家生产220kv及以上变压器的厂家，如天威保变、西变、特种电工沈变有较强的科研能力，它们在这方面起步较早，早年分别引进法国ALSTHOM公司、日本HITACHI公司、德国SIMENS公司等的电磁计算软件、波过程分析软件和漏磁场分析软件等我国“七五”重点

6、科技攻关项目，也投入了相当大的人力资金从事降低变压器附加损耗，防止局部过热问题的研究。 国外在变压器计算方面工作开展较早，软件应用也很成熟。如ALSTOM、ABB、SIMENS公司等。从变压器专业软件来看，在电场、磁场、动态短路电动力等方面都有非常完整的计算方法。有的利用图形工作站来完成新产品的电磁优化设计，如电场、磁场分析，建立了许多基础数据库，并不断修改校正，不断提高性能参数计算的准确性和可靠性，计算的内容很详细。 综上由于变压器求解区域结构复杂，且各结构件尺寸线度差异很大，变压器漏磁场分布不均匀，一般情况下，附加损耗的重点在铁磁结构件及绕组，如箱壁、夹件、拉板、升高座及绕组的涡流损耗。由

7、于结构件面积大、壁薄，而涡流透入深度小，如果采用有限元法求解，必须对结构细剖：考虑绕组涡流损耗，要求剖分密度能将油道和线性分开；形成的代数方程组十分庞大，给剖分方法、存储和方程求解带来难度。通过对变压器漏磁场及附加损耗研究概况的回顾和变压器制造业现状的了解，建议用多种电磁场计算的方法计算变压器的漏磁场合附加损耗是有效的。 本文研究目的主要有：一是通过多台产品设计、试验数据分析来减小变压器空、负载损耗误差，提高计算准确度，适当降低附加损耗中环流损耗、杂散损耗等的具体措施，减小原材料消耗；二是通过经验公式计算以及漏磁场有限元软件分析等工具，通过设计和试验数据对比，分别就短路阻抗、绕组涡流损耗、结构

8、件杂散损耗和短路电动力进行分析，提出优化方法；三是通过对变压器性能数据进行合理约化，建立优化设计模型。对比分析多种优化设计方法的优缺点，选择全局优化方法，用于变压器的电磁优化设计。目 录摘 要I引 言II第一章 三相变压器的概述11.1 变压器行业现状和前景分析11.1.1 前景分析11.2 变压器的工作原理31.3 变压器接法与联结组31.4 变压器的分类4第二章 三相变压器的参数测定62.1 原理简述62.2 损耗计算公式62.2.1 电力变压器损耗的特征72.3 变压器空载损耗原理82.4 空载实验82.5 负载损耗实验82.6 参数测定记录与分析92.6.1 参数记录分析如下：112.

9、7 减小变压器的损耗与节能方法112.8 变压器的容量计算142.8.1 按变压器的经济负荷率计算容量142.9 变压器损耗与节能总结15第三章 三相变压器的瓦斯保护系统163.1 变压器瓦斯保护163.1.1 变压器瓦斯保护概述163.1.2 瓦斯保护控制163.2 变压器瓦斯保护范围173.3 瓦斯继电器的动作原理173.4 瓦斯保护与检验193.4.1 瓦斯保护安装的检验193.4.2 瓦斯保护动作原因203.5 变压器瓦斯保护误动作防范措施203.5.1 瓦斯检修维护203.5.2 瓦斯保护的反事措施21第四章 三相变压器的优化设计与分析224.1 三分频概述224.1.1 三分频变压

10、器的特性分析224.2 变压器的设计相关的技术标准254.3 三分频变压器的设计原理264.3.1 数学模型264.4 优化设计方法274.5 优化设计程序流程图284.6 110kv油浸式三分频变压器优化设计294.7 三分频变压器的工程设计及其物理试验314.7.1 优化设计结果314.7.2 物理试验31总结35致谢37参考文献38第一章 三相变压器的概述1.1 变压器行业现状和前景分析 行业现阶段发展情况：行业进入门槛过低，缺乏有效监管措施 目前变压器行业缺乏监管标准，厂家只需通过产品型验和性能检测取得生产资质，获得国家CCC和国家变压器质量监督检验中心认证，即可上马生产并进入参与市场

11、竞争，缺乏有效控制进入措施 产能严重过剩，无序竞争严重 据估计目前我国变压器产能为30亿KVA，2011年我国需求容量为13亿KVA，存在较大产能过剩现象。激烈竞争环境下，一些企业为取得订单和占领市场份额选择主打价格战，导致变压器产品利润一再下降。尤其是220KV等级以下产品，由于生产厂家众多，多数订单处于微利和盈亏平衡状态。产品质量问题凸显 08年以来由于人工成本、材料成本上升，为取得订单和获取利润，部分厂家采取“以铝代铜、使用二次硅钢片、容量不足”等非法措施竭力降低产品成本中标和获取利润。这种非正常竞争手段给行业造成了严重的生存危机，一方面低价竞争造成其他正常企业经营困难，另一方面也破坏了

12、行业经营环境。 根据质检总局公布2011年第三季度电力变压器抽查结果，在对内地16省市34家变压器厂家进行抽检后，发现除4家无成品，1家处于停业整顿外，29件产品样品中，有9件不合格，合格率仅为69%。抽查范围包括大、中、小厂家，根据统计发现大、中、小厂家合格率差异不大，其中大型企业产品抽检合格率为75%，而中、小型企业的产品抽检合格率分别为63.6%和71.4%，大型厂家包括保变一台干式变压器温升检验不合格。 新材料运用推动行业升级转型 以非晶合金变压器等特殊材料材质变压器正在引领降低能耗时代的来临，80%甚至更大程度上的降低损耗将会不断扩大新材料材质变压器的优势。如果新材料完成了规模化生产

13、材料，实现有效降低材料价格成本的话，对于传统硅钢等材料变压器厂家而言，将受到致命打击影响。可以说不掌握创新材料技术，其严重结果就是行业地位被重新洗牌。1.1.1 前景分析（1）国内市场前景分析 特高压领域提速 十二五期间，国家将继续加大特高压领域投资，预计期间内，累计投资将达到5300亿。但由于特高压交流安全性要求较高，未来国家层面交流项目审批趋于谨慎，重点发展特高压直流项目将被看好。 机遇存在的同时，我们应当注意到特高压领域竞争加剧，近期保变天威已完成1000KV特高压交流项目试验，此外山东电力研究中心和ABB等国外公司也具有类似技术储备。后期我们公司特高压领域的国内技术独有垄断竞争优势有可

14、能被打破，未来该领域极有可能出现寡头垄断竞争局面1。 智能变压器前景广阔 国网公司智能变电站开始进入快速扩张时期，预计十二五期间国网公司智能变压器投资将超过3000亿，新建110kV及以上电压等级智能变电站约5100座、变电站智能化改造约1000座，对智能变电站保护设备与监控系统产品需求超过120亿元，对在线监测系统产品需求超过60亿元，需求旺盛，行业步入景气周期。 未来我们公司在做好传统配电变压器业务基础上，可以通过兼并沿海相关技术中小企业，快速掌握行业基础技术，进入智能技术领域。在快速占领智能变压器领域同时，不断完善公司业务范围，拓宽产品线，完善产品链，做好集成配套服务工作。 农网改造升级

15、 农村农网改造已进入国家战略层面，节能降耗促使国家加大农网改造升级，提高农网配电效率，预计未来3年农网改造投资复合增长率将保持15%以上。农网改造也将推动城网升级，拉动相关电力设备需求。特种应用领域突起 未来船舶、高铁、飞机制造、航天科技等领域特种变压器应用将会突起，随着国家层面科技力量加强，相关领域特种需求将会得到加强，具体需求特点和市场情况有待进一步深入研究。变压器服务业务兴起 变压器服务业务主要是利用专业的工具和技术手段对变压器的健康状况进行诊断，然后再针对产品风险采取措施，以有效防范故障的产生，因而并不等同于维修业务。目前ABB已经将国外服务业务经验移植到中国，据估计目前我国在运行变压

16、器超过5万台，其中相当部分运行时间已超过10年，进入生命周期的中期阶段。ABB经过评估认为变压器服务市场容量在30亿左右，后期并将会逐步扩大。未来我们公司电气服务业务可以考虑向这个领域覆盖，拓展利润增长点。（2） 国外市场前景分析 海外业务扩展难度加大 未来国际政治形势将继续维持动荡状态，国际经济形势短期内不会扭转颓势，人民币升值趋势不减，海外业务竞争压力和经营风险加大等不利因素，将导致未来我们公司海外业务扩展会面临较大困难。 需要看到的是第三世界国家长期会保持较大电力建设需求，未来业务增长看点仍在国外，但短期内需要注意扩张经营风险。发达国家经济困境，有可能会通过各种贸易保护措施，限制外国电力

17、设备进入，影响公司业务拓展。（3） 行业发展趋势分析 行业将继续向“高、精、专”方向发展，企业必须拥有市场份额内的技术优势，实现差异化竞争中的技术垄断优势。企业在巩固自身领域内技术优势的同时，应当积极关注行业整体创新动态。 伴随着我国经济结构向消费型转变，可以预见未来变压器行业的主要消费群体将会逐渐向消费领域倾斜，做好消费领域内产品战略定位的预判、布局和预研，占领产业转型制高点，将有利于我们企业在未来竞争中巩固加强行业位臵和市场地位。 未来变压器行业将更加突出产品的绿色环保、节能低碳、小型化及更加安全、更低噪声、更加成本等特点，对产品品质提出了更高的要求。且产品品质的已不仅局限于传统的节能性、

18、可靠性和安全性的概念，而是在此基础上，更加显著的突出产品的会环保效益。1.2 变压器的工作原理 1、三相变压器工作原理：变压器的基本工作原理是电磁感应原理。当交流电压加到一次侧绕组后交流电流流入该绕组就产生励磁作用，在铁芯中产生交变的磁通，这个交变磁通不仅穿过一次侧绕组，同时也穿过二次侧绕组，它分别在两个绕组中引起感应电动势。这时如果二次侧与外电路的负载接通，便有交流电流流出，于是输出电能。图1-2 原理接线图1.3 变压器接法与联结组 用于国内变压器的高压绕组一般联成Y 接法，中压绕组与低压绕组的接法要视系统情况而决定。所谓系统情况就是指高压输电系统的电压相量与中压或低压输电系统的电压相量

19、间关系。如低压系配电系统，则可根据标准规定决定。国内的500、330、220 与110kV 的输电系统的电压相量都是同相位的，所以，对下列电压比的三相三绕组或三相自耦变压器，高压与中压绕组都要用星形接法。当三相三铁心柱铁心结构时，低压绕组也可采用星形接法或角形接法，它决定于低压输电系统的电压相量是与中压及高压输电系统电压相量为同相位或滞后30电气角。500/220/YN，yn0，yn0 或YN，yn0，d11220/110/YN，yn0，yn0或YN，yn0，d11330/220/YN，yn0，yn0或YN，yn0，d11330/110/YN，yn0，yn0或YN，yn0，d11.pw0.国内

20、60与35kV的输电系统电压有二种不同相位角。如220/60kV变压器采用YNd11接法，与220/69/10kV 变压器用YN，yn0，d11接法，这二个60kV输电系统相差30电气角。当220/110/35kV变压器采用YN，yn0，d11接法，110/35/10kV变压器采用YN，yn0，d11接法，以上两个35kV 输电系统电压相量也差30电气角。所以，决定60与35kV级绕组的接法时要慎重，接法必须符合输电系统电压相量的要求。根据电压相量的相对关系决定60与35kV级绕组的接法。否则，即使容量对，电压比也对，变压器也无法使用，接法不对，变压器无法与输电系统并网。国内10、6、3与0.

21、4kV输电与配电系统相量也有两种相位。在上海地区，有一种10kV与110kV输电系统电压相量差60电气角，此时可采用110/35/10kV电压比与YN，yn0，y10接法的三相三绕组电力变压器，但限用三相三铁心柱式铁心。但要注意：单相变压器在联成三相组接法时，不能采用YNy0 接法的三相组。三相壳式变压器也不能采用YNy0接法。三相五柱式铁心变压器必须采用YN，yn0，yn0接法时，在变压器内要有接成角形接法的第四绕组，它的出头不引出(结构上要做电气试验时引出的出头不在此例)。不同联结组的变压器并联运行时，一般的规定是联结组别标号必须相同。配电变压器用于多雷地区时，可采用Yzn11接法，当采用

22、z 接法时，阻抗电压算法与Yyn0 接法不同，同时z 接法绕组的耗铜量要多些。Yzn11接法配电变压器的防雷性能较好。三相变压器采用四个卷铁心框时也不能采用YNy0 接法。以上都是用于国内变压器的接法，如出口时应按要求供应合适的接法与联结组标号。一般在高压绕组内都有分接头与分接开关相联。因此，选择分接开关时(包括有载调压分接开关与无励磁调压分接开关)，必须注意变压器接法与分接开关接法相配合(包括接法、试验电压、额定电流、每级电压、调压范围等)。对YN接法的有载调压变压器所用有载调压分接开关而言,还要注意中点必须能引出。1.4 变压器的分类 1、按冷却方式分类：有自然冷式、风冷式、水冷式、强迫油

23、循环风（水）冷方式、及水内冷式等。 2、按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。 3、按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器、辐射式变压器等。 4、按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。 5、按用途分类：有电力变压器、特种变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。 6、按冷却介质分类：有干式变压器、液（油）浸变压器及充气变压器等。 7、按线圈数量分类：有自耦变

24、压器、双绕组、三绕组、多绕组变压器等。 8、按导电材质分类：有铜线变压器、铝线变压器及半铜半铝、超导等变压器。 9、按调压方式分类：可分为无励磁调压变压器、有载调压变压器。 10、按中性点绝缘水平分类：有全绝缘变压器、半绝缘（分级绝缘）变压器。 第2章 三相变压器的参数测定2.1 原理简述 变压器是用来变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。变压器的工作原理是建立在电磁感应原理基础之上的。变压器铁芯内产生的总磁通分为两个部分，其中主磁通是以闭合铁心为路径，它同时匝链原、副绕组，分别感应电势，磁通 是变压器传递能量的 主要因素。还有另一部分磁通通过非磁性物质而形成闭合回路，变压器负载运行

25、时，原、副方都存在这部分磁通，分别用和表示。而变压器空载运行时仅原方有 ，这部分磁通属于非工作磁通，其量值约占总磁通的，故把这部分磁通称为漏磁通。漏磁通和 分别单独匝链变压器的原绕组和副绕组，并在其中感应电势和 。实际变压器中既有磁路问 题又有电路问题，这样将会给变压器的分析、计算带来困难。为此，对变压器的电压、电流和电势的关系进行等值变换（即折算），可将同时具有电路和磁路的问题等值简化为单一的电路问题，以便于计算。2.2 损耗计算公式 (1)有功损耗： -（） (2)无功损耗： -（） (3)综合功率损耗： -（） ， 式中：空载无功损耗（） 空载损耗（） 额定负载损耗（） 变压器额定容量（

26、） 变压器空载电流百分比。 短路电压百分比 平均负载系数 负载波动损耗系数 额定负载漏磁功率（） 无功经济当量（） 上式计算时各参数的选择条件： (1)取.； (2)对城市电网和工业企业电网的降压变压器取系统最小负荷时，其无功当量； (3)变压器平均负载系数，对于农用变压器可取；对于工业企业，实行三班制，可取； (4)变压器运行小时数，最大负载损耗小时数：； (5)变压器空载损耗、额定负载损耗、，见产品出厂资料所示。2.2.1 电力变压器损耗的特征 空载损耗，主要是铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗； 磁滞损耗与频率成正比；与最大磁通密度的磁滞系数的次方成正比。 涡流损耗与频率、最大磁通密度、矽钢片

27、的厚度三者的积成正比。 C负载损耗，主要是负载电流通过绕组时在电阻上的损耗，一般称铜损。 其大小随负载电流而变化，与负载电流的平方成正比；（并用标准线圈温度换算值 来表示）。 负载损耗还受变压器温度的影响，同时负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗，并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。 变压器的全损耗=+C 变压器的损耗比=C / 变压器的效率=/（+），以百分比表示；其中为变压器二次侧输出功率。 变损电量的计算：变压器的损失电量有铁损和铜损两部分组成。铁损与运行时间有关，铜损与负荷大小有关。因此，应分别计算损失电量。 1、铁损电量的计算：不同型号和容量的铁损电量，计算公式是： 铁损电量（千

28、瓦时）=空载损耗（千瓦）供电时间（小时） 配变的空载损耗（铁损），由附表查得，供电时间为变压器的实际运行时间，按以下原则确定： (1)对连续供电的用户，全月按720小时计算。 (2)由于电网原因间断供电或限电拉路，按变电站向用户实际供电小时数计算，不得以难计算为由，仍按全月运行计算，变压器停电后，自坠熔丝管交供电站的时间，在计算铁损时应予扣除。 (3)变压器低压侧装有积时钟的用户，按积时钟累计的供电时间计算。 2、铜损电量的计算：当负载率为40%及以下时，按全月用电量（以电能表读数）的2%计收，计算公式：铜损电量（千瓦时）=月用电量（千瓦时）2%因为铜损与负荷电流（电量）大小有关，当配变的月平

29、均负载率超过40%时，铜损电量应按月用电量的3%计收。负载率为40%时的月用电量，由附表查的。负载率的计算公式为：负载率=抄见电量/SCos式中：S配变的额定容量（千伏安）；T全月日历时间、取720小时；COS功率因数，取0.80。电力变压器的变损可分为铜损和铁损。铜损一般在.。铁损一般在57。干式变压器的变损比油侵式要小。合计变损：.+=.计算方法：1000KVA .=KVA65KVA24小时365天 （度）变压器上的标牌都有具体的数据。2.3 变压器空载损耗原理 空载损耗指变压器二次侧开路，一次侧加额率与额定电压的正弦波电压时变压器所吸取的功率。一般只注意额定频率与额定电压，有时对分接电压

30、与电压波形、测量系统的精度、测试仪表与测试设备却不予注意。对损耗的计算值、标准值、实测值、保证值又混淆了。 如将电压加在一次侧，且有分接时，如变压器是恒磁通调压，所加电压应是相应接电源的分接位置的分接电压。如是变磁通调压，因每个分接位置时空载损耗都不相同，必须根据技术条件要求，选取正确的分接位置，施加规定的额定电压，因为在变磁通调压时，一次侧始终加一个电压于各个分接位置。 一般要求施加电压的波形必须为近似正弦波形。所以，一是用谐波分析仪测电压波形中所含谐波分量，二是用简便办法，用平均值电压表，但刻度为有效值的电压表测电压，并与有效值电压表读数对比，二者差别大于 3% 时，说明电压波形不是正弦波

31、，测出的空载损耗，根据新标准要求应是无效了。2.4 空载实验 实验线路如图2-1，将低压侧经调压器和开关接至电源，高压侧开路。接线无误后，调压器输出调零，闭合S1和S2，调节调压器使输出电压为低压测额定电压=220v，记录该组数据于表4-2中，然后逐次变电压，在（1.20.5）的范围内测量三相空载电压、电流及功率，共测取79组数据，记录于表4-2中。 图2-1 三相变压器空载实验接线图2.5 负载损耗实验 变压器低压侧用较粗导线短路，高压侧通以低电压。按图2-2接线无误后，将调压器输出端可靠地调至零位。闭合开关S1和S2，监视电流表指示，微微增加调压器输出电压，使电流达到高压侧额定值In=2.

32、28A，缓慢调节调压器输出电压，使短路电流在In（1.10.5）的范围内，测量三相输入电流、三相功率和三相电压，共记录57组数据，填入表2-3中。图2-2 三相变压器负载损耗实验接线图2.6 参数测定记录与分析1、 计算表2-3中各组数据的、Io、Po、和标么值 、表2-3空载试验数据（低压值=220V ）序记录数据计算数据号Po1264.3263.5264.91.160.771.22239.1-182264.11.051.1790.26728.550.10292241.8239.7241.50.820.520.84156.3-1142410.731.0950.18421.150.120832

33、21.8219.3221.80.60.380.61107.2-73.8220.90.530.9970.13516.710.1434198.1194.7198.50.420.260.4268.99-43.1198.10.370.8950.09312.950.18915175.8172.7176.70.30.180.345.31-24.5175.10.260.7960.066110.410.22866154.4152.6155.20.220.130.2129.79-13.5153.90.190.6990.04748.140.28637131.9130.1132.40.160.10.1519.37-

34、6.98131.40.140.5980.03476.190.34498110.5108.3110.910.120.080.1212.84-3.62110.10.110.51120.02714.610.3929 （2）根据表2-3中计算数据作空载特性图2-3 空载、负载、功率因数曲线图由表2-3知：额定电压时，=0.145从曲线上找出额定电压时的空载损耗、空载电流和功率因数，并求出空载电流的无功分量和有功分量（3）计算出在额定电压时的励磁参数表 表2-4负载损耗实验数据（高压侧)序号记录数据计算数据COS&k12.52.412.4118.6817.6318.7941.6221.122.418.3

35、731.370.722.342.212.2917.3319.4918.0741.2418.872.2818.2930.160.72.5321.831.9714.5413.9415.3428.9513.921.9314.6121.440.75941.871.791.8413.6313.2214.4925.5212.511.8313.7819.010.75451.521.491.551.2711.2511.9317.249.131.5211.4813.190.755461.341.291.359.829.7510.5613.256.651.3310.049.950.746871.11.051.06

36、8.488.078.519.314.251.078.366.760.75552.6.1 参数记录分析如下： （1）空载分析：空载时变压器的损耗主要由两部分组成，一部分是因为磁通交变而在贴心中产生的铁耗，另一部分时空载电流在原绕组中产生的铜耗.由于空载电流值很小，此时铜耗便可以略去，而决定铁耗大小的电压可达到正常值，故近似认为空载损耗就是变压器的铁损，但是实质上二者并不等价。 （2）负载分析：负载损耗实验时的损耗也由两部分组成，一部分是短路电流在一次和二次侧绕组中产生的铜耗，另一部分是磁通交变而产生的铁耗。由于短路实验所加电压很低，因此这时贴心中磁通密度很低，故铁心损耗可以忽略不计，而决定铜耗大

37、小的电流可达正常值，所以近似认为负载损耗就是变压器铜耗，但仍然只是一种近似。2.7 减小变压器的损耗与节能方法 (1)铁芯损耗的控制 变压器损耗中的空载损耗，即铁损，主要发生在变压器铁芯叠片内，主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。最早用于变压器铁芯的材料是易于磁化和退磁的软熟铁，为了克服磁回路中由周期性磁化所产生的磁阻损失和铁芯由于受交变磁通切割而产生的涡流，变压器铁芯是由铁线束制成，而不是由整块铁构成。1900年左右，经研究发现在铁中加入少量的硅或铝可大大降低磁路损耗，增大导磁率，且使电阻率增大，涡流损耗降低。经多次改进，用0.35mm厚的硅钢片来代替铁线制作变压器铁芯。

38、近年来世界各国都在积极研究生产节能材料，变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料非晶态磁性材料如2605S2，非晶合金铁芯变压器便应运而生。使用2605S2制作的变压器，其铁损仅为硅钢变压器的1/5，铁损大幅度降低。 (2)变压器系列的节能效果 上述非晶合金铁芯变压器，具有低噪音、低损耗等特点，其空载损耗仅为常规产品的1/5，且全密封免维护，运行费用极低。我国S7系列变压器是1980年后推出的变压器，其效率较SJ、SJL、SL、SL1系列的变压器高，其负载损耗也较高。80年代中期又设计生产出S9系列变压器，其价格较S7系列平均高出20%，空载损耗较S7系列平均降低8%，负载损耗平均降低24%

39、，并且国家已明令在1998年底前淘汰S7、SL7系列，推广应用S9系列。S11是目前推广应用的低损耗变压器。S11型变压器卷铁心改变了传统的叠片式铁心结构。硅钢片连续卷制，铁心无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少了6080，提高了功率因数，降低了电网线损，改善了电网的供电品质。连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性，空载损耗降低2035。运行时的噪音水平降低到3045dB，保护了环境。非晶合金铁心的S11系列配电变压器系列的空载损耗较S9系列降低75%左右，但其价格仅比S9系列平均高出30%，其负载损耗与S9系列变压器相等。（3)选择与负载曲线相匹配的变压器案例分析：配电变压器的容量选择A、按变压器

40、效率最高时的负荷率来选择容量当建筑物的计算负荷确定后，配电变压器的总装机容量为：S=/cos2(KVA)(1)式中建筑物的有功计算负荷KW;cos2补偿后的平均功率因数，不小于0.9;变压器的负荷率。因此，变压器容量的最终确定就在于选定变压器的负荷率。我们知道，当变压器的负荷率为：=(1/R)1/2时效率最高。(2)R=PKH/Po(即变压器损耗比)式中Po变压器的空载损耗;PKH变压器的额定负载损耗，或称铜损、短路损耗。以国产SGL型电力变压器为例，其最佳负荷率计算如下：表2-1 国产SGL型电力变压器最佳负荷率容量（千伏安）空载损耗（瓦）负载损耗（瓦）损耗比（R）最佳负荷率50018504

41、8402.6261.8630210056502.6961800240075003.1356.61000280092003.255.212503350110003.2855.218003950133003.3754.5 由表2-1可见，如果以来计算变压器容量，必将造成容量过大，使用户初期投资大量增加。其原因是30分钟平均最大负荷P30的统计值，例如民用建筑的用电大部分时间实际负荷均小于计算负荷，如果按计算变压器容量则不可能使变压器运行在最高效率上，这样不仅不能节约电能且运行在低值上，则消耗更多的电能，因此按变压器的最佳负荷率来计算变压器的容量是不合理的。B、按变压器的年有功电能损耗率最小时的节能

42、负荷率计算容量由于实际负荷总在变化，无法精确计算出变压器的电能损耗。然而对于某类电力用户，它的最大负荷利用小时数，最大负荷损耗小时数可依据同类用户统计数据来近似计算。 变压器的年有功电能损耗可按下式估算=PKH(/S2e)2 PKH2(3)式中计算负荷率，等于变压器的计算视在容量与额定容量之比Tb变压器年投运时间年最大负荷损耗时间，可由年最大负荷利用时数Tm查Tm-关系曲线。用户电力负荷消耗的年有功能为：W=(4)则变压器的年有功电能消耗率为：W=/W=(PoTbPKH2)/（5)令d=0求出变压器年有功电能损耗率最小时的节能负荷率=(/)1/2=(Tb/)1/2*(6)即配电变压器按照节能负

43、荷率计算容量时，其年有功电能损耗率最小。由式(6)可见，变压器的节能负荷率与年最大负荷损耗时间有关，越低越高。然而由于Tm值及Tm值所对应的值，对于高层民用建筑还没有这方面的统计资料，可参考工业企业的类似资料。Tb按7500h，而根据高层民用建筑的不同功能，值在2300-4500范围内选取，因此=(1.3-1.8)。从表(2-1)干式变压器的最佳负荷率值，可求出节能负荷率。对于高层写字楼，由于五天工作制，且晚上下班后的其余时间均处于轻载，其电力负荷的运行特点，相当于工业企业的单班制生产，变压器的节能负荷率=0.85-0.98;对于高层宾馆及高层建筑中以商业为主的大厦，其相当于工业企业的两班制生

44、产，变压器的节能负荷率=0.71-0.85。由此可见，按节能负荷率计算变压器的容量，要小于按最佳负荷率所计算的变压器的容量，这样不但年电能损耗小且一次性投资省。2.8 变压器的容量计算 2.8.1 按变压器的经济负荷率计算容量 上节分析可知，按年有功电能损耗率最小时的节能负荷率计算变压器的容量有利于节省初投资。然而相当于二班制运行特点的高层建筑中的配电变压器，按计算出的容量还是偏大，必将增加用户的一次性投资。如何能做到既能节省一次性投资，又能使电能损耗小，或者说能否做到初投资省和电耗小这对矛盾在变压器运行在负荷率的某一区域内获得相对统一，下面我们对变压器的年有功电能损耗率公式作进一步的分析。对

45、同一变压器，在某一负荷率运行情况下的年有功电能损耗率如式(5)，而在节能负荷率下的年有功电能损耗率为：=( PKH2j)/(7)用(5)式的两边除以(7)式的两边，并用(6)式代入，整理后得：W/=1/2(/)(8)上式为变压器运行在某一负荷率时的年有功电能损耗率相对于运行在节能负荷率时的年有功电能损耗率随相对节能负荷率变化的函数关系。该式中当=时，W/=1，当或时，W/均大于1/从1.0增加到1.3，增加30时，W/从1.0增加到1.035，只增加了3.5;当/从2.0增加到2.3，增加15时，W/从1.25增加到1.37，增加了9.6。可见在/的低值区，W/的增加值相对于/的增加值是非常微

46、小的，且增加的速率也是很小的，也就是说，在该区域中，我们用微小的年电能损耗率增加值来换取变压器的容量的较大减小使得一次性投资的明显降低，因此，我们选择相对节能负荷率/在1-1.3范围内，即经济负荷率为：=(11.3)(9)我们按经济负荷率选出的变压器容量，要比按节能负荷率选出的变压器容量降低一级，由此而节约的初投资远大于配电变压器的年有功电能损耗费用，做到了经济性与节能性这对矛盾的相对统一，显然这是一种既科学又经济合理的方法。这里讨论的配电变压器容量的计算方法，主要是针对高层建筑中所使用的变压器，即使用干式或环氧树脂浇注变压器，然而该方法也适用于使用其他配电变压器的场合。2.9 变压器损耗与节

47、能总结：（1）负载曲线的平均负载系数越高，为达到损耗电能越小，要选用损耗比越小的变压器;负载曲线的平均负载系数越低，为达到损耗电能越小，要选用损耗比越大的变压器。（2）将负载曲线的平均负载系数乘以一个大于1的倍数，通常可取1-1.3，作为获得最佳效率的负载系数，然后按=(1/R)1/2计算变压器应具备的损耗比。（3）对于实际负载，变压器本身应具有较佳的损耗比，而且总损耗最小，即空载损耗与负载损耗之和要尽可能小。第3章 三相变压器的瓦斯保护系统3.1 变压器瓦斯保护 3.1.1 变压器瓦斯保护概述 瓦斯保护是变压器内部故障的基本保护，它的主要器件是瓦斯继电器，安装的位置在油箱与油枕之间的联接管道

48、中。为了能使该变压器内部积聚的气体经过与瓦斯继电器联接的管道，并顺利流入油枕，根据变压器安装的相关规程规定，应当把变压器靠油枕一侧的位置垫高，使变压器的大盖沿瓦斯继电器的方向上高出有1%1.5%的升高坡度，另一个是变压器油箱到油枕联接管的坡度为2%4%(这个坡度是由厂家制造好的)。变压器大盖坡度要求在安装变压器时从底部垫好。这两个坡度都是为了防止在变压器内贮存空气以及故障时，便于使气体迅速可靠地冲入瓦斯继电器，保证瓦斯继电器灵敏的动作。 当变压器油箱内部发生相间、层间或匝间短路故障时，伴随有电弧产生，或某些部件严重发热，导致油箱内绝缘油和其他绝缘材料受热分解并产生挥发性气体(即瓦斯)。因为气体

49、比油轻，气体就会很快上升到变压器的最高部分油枕内。在严重故障时，大量气体会产生很大的压力，使油迅速向油枕流动。根据这一特性，我们可以通过变压器油箱内的气体或油，向油枕方向流动的情况，来判断变压器内部故障的状态。利用这些性质构成的变压器保护称为瓦斯保护，在瓦斯保护装置中，反应这些特性的基本器件是瓦斯继电器。 在变压器正常工作时，瓦斯继电器的容器内一般是充满变压器油的，它的两对灵敏水银触点是断开的。如果变压器内部出现轻微故障，则因油分解而产生的气体聚集在容器的上部时，此时迫使油面下降，使上面一对水银触点闭合，接通信号回路，发出报警信号，即继电器轻瓦斯动作。如果变压器内部发生严重故障，将会产生强烈的

50、气体，并出现变压器油的涌浪，迫使油猛烈地由油箱进入油枕，通过联接管道的时候，要经过瓦斯继电器，这时强大的油流冲击瓦斯继电器的挡板，使下面一对水银触点闭合，接通跳闸回路，切断与变压器连接的所有电源，从而起到保护变压器的作用，即继电器重瓦斯动作。3.1.2 瓦斯保护控制 瓦斯继电器的一对接点动作于信号，发出报警信号，另一对接点接通信号继电器和出口中间继电器，作用于跳闸。继电器作用于信号的接点，反映了变压器的轻微故障，故称为轻瓦斯保护。作用于跳闸的接点，反映了变压器的严重故障，故称为重瓦斯保护。变压器在充油或新注入油后，应当经常打开瓦斯继电器内的放气阀门，防止油中的空气在变压器带负载受热上升。当空气

51、进入继电器时，可能使瓦斯继电器动作。为了防止断路器或信号的误动作，可以利用压板，将瓦斯保护切换至作用信号，直至不再存在空气逸出为止。瓦斯继电器的接点，是由于油的流动或气流的冲击而闭合。因此，接点的闭合，是有冲击性，为了使接点发出的脉冲有足够时间跳断路器，出口中间继电器应有自保持回路。3.2 变压器瓦斯保护范围瓦斯保护是变压器的主要保护，它可以反映油箱内的一切故障。包括：油箱内的多相短路、绕组匝间短路、绕组与铁芯或与外壳间的短路、铁芯故障、油面下降或漏油、分接开关接触不良或导线焊接不良等。瓦斯保护动作迅速、灵敏可靠而且结构简单。但是它不能反映油箱外部电路的故障，所以不能作为保护变压器内部故障的唯

52、一保护装置。另外，瓦斯保护也易在一些外界因素的干扰下误动作，对此必须采取相应的措施 3.3 瓦斯继电器的动作原理1、瓦斯保护是变压器内部故障的主要保护元件，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同。瓦斯保护就是利用反应气体状态的瓦斯继电器来保护变压器内部故障的。2、在瓦斯保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者都装有密封的水银接点。浮筒和挡板可以围绕各自的轴旋转。在正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，

53、处于上浮位置，水银接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于瓦斯继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”，当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯”。重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。瓦斯继电器有浮筒式、档板式、开口杯式等不同型号。 3、瓦斯保护的动作又可分为以下几类(1)空气进入变压器逐渐聚集在瓦斯继电器上部，迫使继电器内油面下降。这时，开口杯在空气中的重量加上杯内油