一文詳解單相變壓器空載運(yùn)行狀態(tài)

空載運(yùn)行是變壓器的一種極限運(yùn)行狀態(tài)。變壓器的空載運(yùn)行是指原繞組接入電源電壓、副繞組開路，副繞組里沒有電流流過時(shí)的最簡單的運(yùn)行情況。

一、空載運(yùn)行的物理過程

1、上圖所示為單相變壓器空載運(yùn)行的示意圖。副繞組端頭ax開路，原繞組端頭AX接上電源。在外加電壓U1作用下，原繞組中流過一個(gè)交變電流，這個(gè)電流稱為空載電流，用I0表示。I0在原繞組中產(chǎn)生交變的磁勢F0=I0N1，并建立空載時(shí)的磁場。由于鐵芯的導(dǎo)磁系數(shù)比空氣或油的導(dǎo)磁系數(shù)大得多，使得I0N1所產(chǎn)生的磁通絕大部分(占總磁通的99%以上)被約束在鐵芯中，沿鐵芯磁路而閉合，并與原、副繞組的全部匝數(shù)相交鏈。這部分磁通是聯(lián)系原、副繞組的媒介，起傳遞能量的作用，稱為主磁通，用φm表示。另有一小部分磁通沿空氣或油等非鐵磁材料在原邊自行閉合，這是一些僅與原繞組的全部或部分匝數(shù)交鏈，而不穿過副繞組的磁通，稱為原繞組的漏磁通，用φ1δ表示。

2、應(yīng)當(dāng)指出，主磁通和漏磁通無論在性質(zhì)上，還是在所起的作用上都是不同的。主磁通因受鐵芯飽和的影響，與產(chǎn)生主磁通的電流之間是非線性的關(guān)系，即φm與I0不成正比。由于主磁通不僅在原繞組內(nèi)感生電勢，而且在副繞組內(nèi)也感生電勢，所以能傳遞能量;原繞組漏磁通主要沿非鐵磁材料閉合，與I0之間是線性關(guān)系，而且這個(gè)漏磁通僅能在原繞組內(nèi)感應(yīng)電勢，所以它不能傳遞能量，只能對(duì)原邊電路起電抗壓降的作用。

3、根據(jù)電磁感應(yīng)定律，主磁通在原、副繞組內(nèi)的感應(yīng)電勢分別為

e1=-N1dφ/dt，e2=-N2dφ/dt

假定主磁通按正弦變化，即φ=φmsinωt，則感應(yīng)電勢為

e1=-N1dφ/dt=-N1ωφmcosωt=-√2E1cosωt=√2 E1sin(ωt-900)

e2=-N2dφ/dt=-N2ωφmcosωt=-√2E2cosωt=√2 E2sin(ωt-900)

以上各式中e1和e2分別為原、副繞組感應(yīng)電勢的瞬時(shí)值;N1和N2分別為原、副繞組的匝數(shù);E1和E2分別為原、副繞組感應(yīng)電勢的有效值;φm為主磁通最大值。

原邊電路中除了感應(yīng)電勢外，空載電流通過原繞組電阻要產(chǎn)生電壓降，空載時(shí)，副繞組中沒有電流，不產(chǎn)生電壓降，所以副繞組的端電壓等于其感應(yīng)電勢。

二、空載運(yùn)行的技術(shù)參數(shù)

1、電壓比

變壓器的原邊電勢E1和副邊電勢E2之比稱為變壓器的變比，用K表示，即K=E1/E2=N1/N2

變壓器的變比等于原、副繞組的匝數(shù)比。空載時(shí)，由于U1≈E1，U2≈E2。故變壓器原、副繞組的電壓比可以近似地認(rèn)為等于原、副繞組的匝數(shù)比，即

U1/U2=E1/E2=N1/N2=K

應(yīng)當(dāng)注意，變比K習(xí)慣上都取高壓對(duì)低壓的比值。三相變壓器的變比K是指原、副繞組線電壓的比值。

2、空載電流

變壓器空載運(yùn)行時(shí)，空載電流I0主要是用來激勵(lì)主磁通?？蛰d電流包含兩個(gè)分量:一個(gè)是磁化電流Iμ,單純起勵(lì)磁作用，為空載電流的無功分量，它與主磁通φm同相，比外加電壓U1滯后900;另一個(gè)是鐵耗電流Ife，因磁滯和流損耗而引起，為空載電流的有功分量，它與ù1同相。Ife與ù1的乘積就是空載時(shí)原繞組從電網(wǎng)吸取的有功功率，供給鐵芯損耗。

從理論上講，空載電流的有功分量中還應(yīng)當(dāng)包含引起原繞組電阻損耗的電流、由于這個(gè)電流不到空載電流有功分量的1%，對(duì)I0的影響很小，因此略去不計(jì)。

變壓器是效率很高的電氣設(shè)備，空載損耗很小，而Iμ遠(yuǎn)大于Ife，通常Iμ=0.995I0，故可近似地用Iμ=I0來分析空載電流的性質(zhì)，這是工程上常用的一種不影響本質(zhì)的分析問題方法。

3、空載損耗

1)變壓器空載時(shí)沒有輸出功率,從電源吸取的功率P0全部消耗于內(nèi)部，故稱為空載損耗，空載損耗的絕大部分是鐵芯損耗PFe，只有極少部分是原繞組電阻產(chǎn)生的銅損耗PCu=I20r1。但因空載電流及原繞組電阻都很小，銅損耗約占空載損耗P0的2%，因此可以認(rèn)為空載損耗P0等于鐵芯損耗PFe。

空載損耗為

P0≈PFe=U1Ife=U1I0cosφ0。式中φ0為U1與I0之間的夾角。

2)鐵芯損耗是鐵芯在交變磁化下產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。

(1)磁滯損耗是交變磁化過程中，磁疇之間不斷地相互摩擦而引起的能量損耗，它的大小取決于電源的頻率和鐵芯材料的磁滯回線的面積。電源頻率愈高，磁滯回線的面積愈大，磁滯損耗就愈大。由于硅鋼片的磁滯回線面積較小，所以變壓器的鐵芯都采用硅鋼片。磁滯損耗在f=50Hz時(shí)，約占鐵芯損耗的85%左右。

(2)渦流損耗是交變磁場在鐵芯內(nèi)部感生渦流所引起的能量損耗。渦流損耗與鐵芯磁密幅值和頻率的平方成正比，還與鋼片厚度的平方成正比。為了減小渦流損耗就要減小鋼片厚度，所以硅鋼片的厚度通常制成0.5和0.35mm;其次要增加渦流回路的電阻，所以硅鋼片中都有含量較高的硅，用以提高電阻系數(shù)。

3)一般電力變壓器在額定電壓時(shí)，空載損耗約為額定容量的0.2～1%，隨著變壓器容量的增大，空載損耗所占的百分比降低。