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摘要：介绍了变压器的空载损耗、空载电流和在铁心上绕制临时线圈对测量变压器空载损耗的影响
关键词：铁心；空载损耗；空载电流；临时线圈
中图分类号：TM4 文献标识码：A 文章编号：
1 前言
在变压器半成品及成品状态做空载试验，若得到的试验数据不合格，并确认属于铁心问题，那么要先经打油、拆组件、吊罩、脱油、拆铁、断线、拔包等一系列工艺过程后，才能修理铁心。这一工艺过程势必会消耗大量的能源设备及人力，我们能否提前发现问题并及时解决呢？首先我们了解一下变压器的空载损耗。
2 空载损耗和空载电流
2.1空载损耗
变压器的空载损耗指总装配之后，二次侧开路时的损耗（忽略一次绕组的铜耗I2R），主要是指铁心的损耗，它主要包括涡流损耗和磁滞损耗，另外还包括金属结构的附加损耗。
当外施电压为正弦波且铁心中不存在涡流的去磁作用，即磁通密度沿铁心截面均匀分布时，其损耗为
P0=Ph+Pe+Pf
式中，P0为空载损耗；Ph为磁滞损耗；Pe为涡流损耗；Pf为金属结构的附加损耗。
1）磁滞损耗。当变压器铁心在交变电流励磁时，铁磁材料内部磁畴排列也随之周期性变化，并产生磁滞现象，因而产生铁心交变磁化的功率损失，通常称为磁滞损耗Ph。所消耗的能量全部转化为热能的形式散失。磁滞损耗与硅钢片的磁滞回线面积成正比，即与硅钢片的材质有关，对不同牌号的硅钢片其磁滞损耗分别为一定值。一般情况下，铁心磁滞回线和面积近似与B成正比例，Bm为磁密的幅值。若铁心的面积为V，磁化频率为f，铁心的磁滞损耗常用下面的公式近似计算：
Ph=ηf BV
式中，η为一常数，决定于铁心的材料和所有的单位，一般由实验测量。
工频时的磁滞损耗也可用下面的经验公式计算
Ph=f（αBm+βB）G
磁感应强度Bm大于1T时，用下式计算
Ph=γf BG
式中，G为铁心重量（Kg），常数α、β、γ随铁心材料的不同而不同。它们的变化范围分别为：0.003~0.009；0.021~0.038；0.024~0.047。
2）涡流损耗。当穿过铁心的磁通变化时，根据法拉第电磁感应原理，在铁心片垂直于磁通方向的截面内将会产生感生电动势，而铁心本身又是电的良导体，从而将产生感应电流（即涡流），该感生电流在垂直于磁感线的平面内流动。根据楞次定律，涡流所产生的磁场总是力图组织原磁场的变化，因而需要消耗能量即产生了涡流损耗。
计算涡流损耗时，一般假设磁通均匀地分布在硅钢片上，通过切取单元片，可推导出铁心每单位体积的平均涡流损耗为
Pe=1/6γπ2f2δ2 B
式中，γ为导电率：δ为硅钢片片厚；Bm为磁通密度幅值。
从上式中可见，涡流损耗和频率的平方成正比，也和γ与δ2成正比。为了减少涡流损耗，叠片厚度应减小，电导率应低。硅钢片就是在铁中掺入硅，以减少电导率。变压器铁心通常采用0.23~0.35的硅钢片叠积而成，而且片间以绝缘涂层进行绝缘，以控制和减少涡流。实用上，铁心涡流损耗常用下式计算
Pe=ξf2 BV
式中，V为铁心体积；ξ为铁心的特性常数，由实验确定。
此公式只适用于低频（几百赫兹以下）。高频情况下，由实验知道磁导率随频率增加而减少，因而Bm将减少。且因涡流的影响，使中间磁场减弱，涡流趋近表面（集肤效应），电阻将增加，涡流损耗将减少。
当f=50HzBm=1.7T时，厚度为0.35mm的冷轧硅钢片的涡流损耗约占空载损耗的（40%~50%），而热轧硅钢片的涡流损耗约占总空载损耗的20%左右。
3）附加损耗。铁心的附加损耗是由于磁通在铁心中的不均匀分布以及磁通在片间穿越等所引起的损耗。它与铁心的结构形式和硅钢片的牌号有关，其值约占铁心空载损耗的5%~30%。
2.2空载电流
当变压器二次绕组开路并对一次绕组施加额定频率的额定电压，一次绕组中流过的电流称为空载电流I0，通常I0以额定电流的百分数表示，变压器容量越大，I0越小。空载电流由两部分组成，一部分电流用于铁心励磁产生主磁通，称为励磁电流I0a；另外在铁心接缝处，由于有间隙的存在，磁阻增大，也要消耗一部分励磁能量，需要供给一部分电流，这部分电流成为接缝励磁电流I0b，这两部分电流的总和称为空载电流的无功分量I0w。另外，变压器铁心中存在有空载损耗，又称铁损，当忽略空载运行状态下一次绕组的电阻损耗时，此损耗需要电源供给能量，即需要一部分电流。由于此电流做了功，故称为空载电流的有功分量I0y。变压器的空载电流I0,就是有功分量I0y和无功分量I0w的矢量和，即
I0==
3 在铁心上绕制临时线圈
我们在铁心起立后做铁心空载试验，并且选择从低压侧供电，其理由有三：第一低电压更容易得到；第二空载电流足够大，便于用电流表读取数据；第三发现问题容易处理，这样就轻易地解决了变压器半成品及成品因铁心问题造成的困扰。
利用改变发电机励磁或者采用感应调压器可以改变供电电压。不采用可变电阻器与变压器绕组串联的方法调节供电电压，因为它能影响电压波形和变压器空载损耗。
无论在哪一侧绕组进行测量，其空载损耗都是一样的，但是空载电流值却与绕组匝数成反比。空载损耗除铁心损耗之外实际上还包括励磁电流引起的杂散损耗、介质损耗和励磁电流所引起的I2R 损耗。
我们在铁心上绕上临时线圈（铜电缆）代替低压侧，测其空载损耗和空载电流，此时所测得数据不能作为其最终测量结果，但可以用来与产品理论空载数据相比较，以便及早发现和分析铁心可能产生的故障和隐患。
4 对空载试验数据的分析与判断
4.1对空载试验的测试数据应按下面几方面分析：
1）空载数据应符合GB / T6451 或有关标准规定所标的数据和GB1094 .1 规定的偏差，铁心无整体缺陷。
2）单相空载数据合理，铁心无局部缺陷。
3）各工序间的空载数据应彼此接近，经验告诉我们：制造和试验所造成的工序间空载数据的差异，一般都小于10 %。
偏离了上述三方面的任何一方面，都要追查其原因，不弄清楚不可进入下道工序或出厂。
4.2在空载试验的数据中，空载损耗是最重要的，引起空载损耗增大一般有以下几个原因：
1）铁心硅钢片的材质不良。
2）铁心硅钢片的毛刺大。
3）铁心硅钢片的片间绝缘不好。
4）铁心中某一部分短路。
5）穿心螺杆或压板的绝缘损坏，造成局部短路。
6）绕组匝间短路。
7）线圈并联支路的匝数不等。
8）如果在铁心上绕临时线圈较少，则励磁电流所引起的I2R 损耗不能忽略。
在空载试验中，如果发现空载损耗和空载电流同时增大或不合格时，一般只要找到引起空载损耗增大的原因，空载电流增大的问题也就解决了。如果单独是空载电流不合格，这并不可怕，一般往往是小型变压器铁心接缝大造成的，大型变压器一般很少有这种现象。
我们在A200812T03-1 SFS11-120000/220铁心上绕制临时线匝做空载实验来对比在不同试验电压下试验数据与设计值的误差，加不同的试验电压，绕制不同的临时线匝，测得空载损耗和空载电流如下表：
铁心上绕制不同匝数临时线圈空载试验数据
4.3根据上表数据分析如下：
1）5组数据都小于图纸规定值且与图纸规定值偏差都小于10%，这说明铁心没有局部缺陷，可在铁心上绕临时线圈代替半成品空载损耗试验。
2）其中100匝、60匝、40匝空载损耗、空载电流相差无几说明空载电流较小的情况下临时线圈的I2R损耗接近。
3）20匝时临时线圈两根并绕，I2R损耗与40匝时相同，但所加电压低一倍，杂散损耗、介质损耗小，故空载损耗、空载电流小。
4）80匝时的空载损耗、空载电流比其它匝数的空载损耗、空载电流都大，是因为其中一项临时线圈多绕一匝，有环流通过。
5 结论
如果临时线圈中勵磁电流所引起的I2R 损耗小到可以忽略，那么临时线圈的匝数与测得的空载损耗数据无关；但并绕根数与测得的空载损耗数据有一定的关系（并绕根数越多，空载损耗越小），绕临时线圈做空载试验时，我们可以在铁心上绕制较少的匝数（6mm2铜电缆绕20匝左右）并适当增加并绕根数（亦可换成截面积较大电缆，但截面积不宜太大，否则将不容易绕制临时线圈），这样既方便操作，又使得测量数据更接近实际值。
参考文献：
【1】 赵静月.铁心制造工艺.变压器制造工艺：244-246.
【2】 变压器试验.
作者简介：
魏广建（1978-），男，河北保定人，保定天威集团特变电气有限公司机电工程工程师，主要从事变压器铁心加工生产技术工作。
关键词：铁心；空载损耗；空载电流；临时线圈
中图分类号：TM4 文献标识码：A 文章编号：
1 前言
在变压器半成品及成品状态做空载试验，若得到的试验数据不合格，并确认属于铁心问题，那么要先经打油、拆组件、吊罩、脱油、拆铁、断线、拔包等一系列工艺过程后，才能修理铁心。这一工艺过程势必会消耗大量的能源设备及人力，我们能否提前发现问题并及时解决呢？首先我们了解一下变压器的空载损耗。
2 空载损耗和空载电流
2.1空载损耗
变压器的空载损耗指总装配之后，二次侧开路时的损耗（忽略一次绕组的铜耗I2R），主要是指铁心的损耗，它主要包括涡流损耗和磁滞损耗，另外还包括金属结构的附加损耗。
当外施电压为正弦波且铁心中不存在涡流的去磁作用，即磁通密度沿铁心截面均匀分布时，其损耗为
P0=Ph+Pe+Pf
式中，P0为空载损耗；Ph为磁滞损耗；Pe为涡流损耗；Pf为金属结构的附加损耗。
1）磁滞损耗。当变压器铁心在交变电流励磁时，铁磁材料内部磁畴排列也随之周期性变化，并产生磁滞现象，因而产生铁心交变磁化的功率损失，通常称为磁滞损耗Ph。所消耗的能量全部转化为热能的形式散失。磁滞损耗与硅钢片的磁滞回线面积成正比，即与硅钢片的材质有关，对不同牌号的硅钢片其磁滞损耗分别为一定值。一般情况下，铁心磁滞回线和面积近似与B成正比例，Bm为磁密的幅值。若铁心的面积为V，磁化频率为f，铁心的磁滞损耗常用下面的公式近似计算：
Ph=ηf BV
式中，η为一常数，决定于铁心的材料和所有的单位，一般由实验测量。
工频时的磁滞损耗也可用下面的经验公式计算
Ph=f（αBm+βB）G
磁感应强度Bm大于1T时，用下式计算
Ph=γf BG
式中，G为铁心重量（Kg），常数α、β、γ随铁心材料的不同而不同。它们的变化范围分别为：0.003~0.009；0.021~0.038；0.024~0.047。
2）涡流损耗。当穿过铁心的磁通变化时，根据法拉第电磁感应原理，在铁心片垂直于磁通方向的截面内将会产生感生电动势，而铁心本身又是电的良导体，从而将产生感应电流（即涡流），该感生电流在垂直于磁感线的平面内流动。根据楞次定律，涡流所产生的磁场总是力图组织原磁场的变化，因而需要消耗能量即产生了涡流损耗。
计算涡流损耗时，一般假设磁通均匀地分布在硅钢片上，通过切取单元片，可推导出铁心每单位体积的平均涡流损耗为
Pe=1/6γπ2f2δ2 B
式中，γ为导电率：δ为硅钢片片厚；Bm为磁通密度幅值。
从上式中可见，涡流损耗和频率的平方成正比，也和γ与δ2成正比。为了减少涡流损耗，叠片厚度应减小，电导率应低。硅钢片就是在铁中掺入硅，以减少电导率。变压器铁心通常采用0.23~0.35的硅钢片叠积而成，而且片间以绝缘涂层进行绝缘，以控制和减少涡流。实用上，铁心涡流损耗常用下式计算
Pe=ξf2 BV
式中，V为铁心体积；ξ为铁心的特性常数，由实验确定。
此公式只适用于低频（几百赫兹以下）。高频情况下，由实验知道磁导率随频率增加而减少，因而Bm将减少。且因涡流的影响，使中间磁场减弱，涡流趋近表面（集肤效应），电阻将增加，涡流损耗将减少。
当f=50HzBm=1.7T时，厚度为0.35mm的冷轧硅钢片的涡流损耗约占空载损耗的（40%~50%），而热轧硅钢片的涡流损耗约占总空载损耗的20%左右。
3）附加损耗。铁心的附加损耗是由于磁通在铁心中的不均匀分布以及磁通在片间穿越等所引起的损耗。它与铁心的结构形式和硅钢片的牌号有关，其值约占铁心空载损耗的5%~30%。
2.2空载电流
当变压器二次绕组开路并对一次绕组施加额定频率的额定电压，一次绕组中流过的电流称为空载电流I0，通常I0以额定电流的百分数表示，变压器容量越大，I0越小。空载电流由两部分组成，一部分电流用于铁心励磁产生主磁通，称为励磁电流I0a；另外在铁心接缝处，由于有间隙的存在，磁阻增大，也要消耗一部分励磁能量，需要供给一部分电流，这部分电流成为接缝励磁电流I0b，这两部分电流的总和称为空载电流的无功分量I0w。另外，变压器铁心中存在有空载损耗，又称铁损，当忽略空载运行状态下一次绕组的电阻损耗时，此损耗需要电源供给能量，即需要一部分电流。由于此电流做了功，故称为空载电流的有功分量I0y。变压器的空载电流I0,就是有功分量I0y和无功分量I0w的矢量和，即
I0==
3 在铁心上绕制临时线圈
我们在铁心起立后做铁心空载试验，并且选择从低压侧供电，其理由有三：第一低电压更容易得到；第二空载电流足够大，便于用电流表读取数据；第三发现问题容易处理，这样就轻易地解决了变压器半成品及成品因铁心问题造成的困扰。
利用改变发电机励磁或者采用感应调压器可以改变供电电压。不采用可变电阻器与变压器绕组串联的方法调节供电电压，因为它能影响电压波形和变压器空载损耗。
无论在哪一侧绕组进行测量，其空载损耗都是一样的，但是空载电流值却与绕组匝数成反比。空载损耗除铁心损耗之外实际上还包括励磁电流引起的杂散损耗、介质损耗和励磁电流所引起的I2R 损耗。
我们在铁心上绕上临时线圈（铜电缆）代替低压侧，测其空载损耗和空载电流，此时所测得数据不能作为其最终测量结果，但可以用来与产品理论空载数据相比较，以便及早发现和分析铁心可能产生的故障和隐患。
4 对空载试验数据的分析与判断
4.1对空载试验的测试数据应按下面几方面分析：
1）空载数据应符合GB / T6451 或有关标准规定所标的数据和GB1094 .1 规定的偏差，铁心无整体缺陷。
2）单相空载数据合理，铁心无局部缺陷。
3）各工序间的空载数据应彼此接近，经验告诉我们：制造和试验所造成的工序间空载数据的差异，一般都小于10 %。
偏离了上述三方面的任何一方面，都要追查其原因，不弄清楚不可进入下道工序或出厂。
4.2在空载试验的数据中，空载损耗是最重要的，引起空载损耗增大一般有以下几个原因：
1）铁心硅钢片的材质不良。
2）铁心硅钢片的毛刺大。
3）铁心硅钢片的片间绝缘不好。
4）铁心中某一部分短路。
5）穿心螺杆或压板的绝缘损坏，造成局部短路。
6）绕组匝间短路。
7）线圈并联支路的匝数不等。
8）如果在铁心上绕临时线圈较少，则励磁电流所引起的I2R 损耗不能忽略。
在空载试验中，如果发现空载损耗和空载电流同时增大或不合格时，一般只要找到引起空载损耗增大的原因，空载电流增大的问题也就解决了。如果单独是空载电流不合格，这并不可怕，一般往往是小型变压器铁心接缝大造成的，大型变压器一般很少有这种现象。
我们在A200812T03-1 SFS11-120000/220铁心上绕制临时线匝做空载实验来对比在不同试验电压下试验数据与设计值的误差，加不同的试验电压，绕制不同的临时线匝，测得空载损耗和空载电流如下表：
铁心上绕制不同匝数临时线圈空载试验数据
4.3根据上表数据分析如下：
1）5组数据都小于图纸规定值且与图纸规定值偏差都小于10%，这说明铁心没有局部缺陷，可在铁心上绕临时线圈代替半成品空载损耗试验。
2）其中100匝、60匝、40匝空载损耗、空载电流相差无几说明空载电流较小的情况下临时线圈的I2R损耗接近。
3）20匝时临时线圈两根并绕，I2R损耗与40匝时相同，但所加电压低一倍，杂散损耗、介质损耗小，故空载损耗、空载电流小。
4）80匝时的空载损耗、空载电流比其它匝数的空载损耗、空载电流都大，是因为其中一项临时线圈多绕一匝，有环流通过。
5 结论
如果临时线圈中勵磁电流所引起的I2R 损耗小到可以忽略，那么临时线圈的匝数与测得的空载损耗数据无关；但并绕根数与测得的空载损耗数据有一定的关系（并绕根数越多，空载损耗越小），绕临时线圈做空载试验时，我们可以在铁心上绕制较少的匝数（6mm2铜电缆绕20匝左右）并适当增加并绕根数（亦可换成截面积较大电缆，但截面积不宜太大，否则将不容易绕制临时线圈），这样既方便操作，又使得测量数据更接近实际值。
参考文献：
【1】 赵静月.铁心制造工艺.变压器制造工艺：244-246.
【2】 变压器试验.
作者简介：
魏广建（1978-），男，河北保定人，保定天威集团特变电气有限公司机电工程工程师，主要从事变压器铁心加工生产技术工作。