维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第５期 铁合金 ２００６ＮＯ．５ 总第１９０期 ＦＥＲＲ０．ＡＬＬ０ＹＳ Ｔｏｔ．１９０ 变压器的空载、短路试验及其最佳效率的探讨 顾阳 （上海第二工业大学上海 中国 ２０１２０９） 摘 要本文对６．３ ＭＶＡ电炉变压器特点进行剖析，并对空载试验及短路试验的方式进行探讨，求出变压器最佳效 率的合理负载选择。 关键词 变压器 空载试验短路试验最佳效率调压 中图分类号ＴＦ６２３ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １００１—１９４３（２００６）０５—００２１—０６ ＤＩＳＣＵＳＳＩＯＮ ＯＮ ＴＨＥ ＴＥＳＴ ＦＯＲ ＮＯ ＬＯＡＤ ＡＮＤ ＳＨＯＲＴ ＣＩＲ． ＣＵＩＴ ＯＦ ＴＲＡＮＳＦＯＲＭＥＲ ＡＮＤ ＩＴＳ ＯＰＴＩＭＵＭ ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ Ｇｕ Ｙａｎｇ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｅｃｏｎｄ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ ２０１２０９） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ６．３ ＭＶＡ ｆｕｒｎａｃｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔｙｌｅ ｆｏｒ ｎｏ—ｌｏａｄ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｓｈ０ｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｅｓｔ．ＳＯ ａｓ ｔｏ ｃｏｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｌｏａｄ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ｎｏ—ｌｏａｄ ｔｅｓｔ，ｓｈ０ｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｅｓｔ，ｏｐｔｉｍｕｍ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ，ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ 电炉变压器是生产铁合金的主要设备之一。分 电压是用改变ＰＯ线圈上的匝数来进行的。电压调节 析研究变压器合理经济、安全运行对经济效益有重 范围是：接通线匝的最小数量Ａ—ｌ（ｘ）时，ＨＨ线圈感 要意义。本文通过对热兑法中从俄罗斯引进的６．３ 应最大值，到接通线匝的最大数量Ａ一９（Ｘ）时，ＨＨ线 ＭＶＡ电炉变压器特点剖析空载试验及短路试验方 圈感应最小值。 法，重点分析变压器的内部损耗，得到变压器最佳效 此调压器装置的调压用二个移动触头（Ｉ和１Ｉ） 率的合理负载选择。 的重叠接触，即称之为“二个在一起”位置和二个移 动触头分别接触“桥”的位置来改变的。即１—１、２—１、 １ 俄罗斯６．３ ＭＶＡ变压器的特点 ２－２……达到可调电压共１７级（见附表）。 １．２ 该变压器是恒功率变压器，它从１～１５级容 从俄罗斯引进的一台三相有载调压油循环冷却 量设计均为６．３ ＭＶＡ，这与常用大型变压器不同（一 电炉变压器型号３ＴＩＡＨＰ一１２ ５００／１０—０４，视在功 般１／２电压级是恒功率，１／２电压级是恒电流），从 率６．３ ＭＶＡ，一次、二次电压６ ３００ Ｖ／１１８—４８０ Ｖ， 工艺考虑，二次侧电压的工作范围是２１３～１８５ Ｖ，为 一次、二次最大电流５７７．４／２８ １５７ Ａ，有１７个电压 此在设计短网、导流管、电极直径时选择电流密度应 级（详见附表）。 按最大电流２万Ａ考虑，而不是按２．８万Ａ考虑，这 该变压器除具有常用大容量变压器技术特性 样较经济。 外，还有一些特点： １．３ 变压器二次侧有二组线圈，分别引出为ａｌｘ。、 １．１ 俄罗斯６．３ ＭＶＡ变压器调压装置的基本原理 ａ２ｘｚ……，二组线圈可并联或串联连接，见图２。我们 见图１（以Ａ相为例），ＢＨ是一次基本线圈，ＰＯ是调 选用的是并联联接。 压线圈，有分线圈１～９，选择器活动触头（Ｉ和Ⅱ）能 １．４ 该变压器配置了整体装备并固定在箱壁上的 顺序移至１～９的任何位置。ＨＨ是二次线圈。调节 冷却系统，电动泵和热交换器（油冷却器）一起安装 作者简介顾阳女，１９６８年１２月出生，１９９２年毕业于西安建筑大学电气自动化专业，讲师。 收稿日期 ２００６—０６—１０ 维普资讯 http://www.cqvip.com 铁 合 金 ２００６生 Ｘ Ａ 图１ ６．３ＭＶＡ变压器调压（Ａ相）原理图 Ｆｉｇ．１ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｒｕｔｈ ｏｆ ６．３ ＭＶＡ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ（Ａ ｐｈａｓｅ） Ｃ 在箱壁上，这与大部分变压：器的油冷却系统均是分 体安装有所不同。 Ｘ Ｙ ｚ ２ 变压器空载试验 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。根据俄罗斯６．３ ＭＶＡ变压器 的特点即可进行空载试验和短路试验。 ２．１ 空载试验 （ａ）一次侧绕组 空载试验就是对变压器的任一侧绕组施加额定 频率正弦波的额定电压，另一侧绕组在开路的条件 （ｂ）二次侧绕组串联 下，测量变压器的空载损耗和空载电流的试验。空载 试验的二种接线方法如下： ２．１．１ 一次侧接额定电压，二次侧开路（见图３）。 一次侧接６ ３００ Ｖ额定电压最好直接接在高压 开关柜上，这样较安全，开关柜应配有仪表指示，如 接临时线路（电缆）则不易接测量仪表。二次侧不连 （Ｃ）二次侧绕组并联 图２ 变压器绕组连接图 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗｉｎｄｉｎｇ 接。 ２．１．２ 二次侧接额定电压，一次侧开路。 变压器二次侧线圈必须每相串联后再接成Ａ； 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 顾阳 变压器的空载、短路试验及其最佳效率的探讨 Ｃ ＾＾ １＾＾Ｊ 一、 ｒ 一６．３ ｋＶ Ｂ ａ ｂ Ｃ ＼—／ 一 ｌ ＼＿，／ Ｃ ／＿、Ⅳ２厂、 Ｉ’ ｝ Ｊ ．厂 － ’士 图３ 空载试验接线之一 Ｆｉｇ．３ Ｏｎｅ ｏｆ ｎｏ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ 在低压侧接三相 ３８０ Ｖ时，电压级应是７级。（７级 时，一次电压６ ３００ Ｖ，二次电压是３８１．８ ｖ，见附 表。） 感应电动势，还要在铁芯中产生感应电动势，并产生 涡流，涡流会引起额外功率损失。涡流损失与电源频 率的平方以及磁感应强度最大值的平方成正比。 当变压器空载时，空载电流，０所产生的磁势全 二次侧的连接线要加载荷１００ Ａ的电流，以模 拟二次侧（１％一３％），２ 的空载电流，２０。 ２．２ 空载损耗分析 部产生主磁通，空载电流，０就等于激磁电流，激磁 电流与磁场强度的关系式是： Ｈ＝ＷＩＬ 现在分析变压器二次绕组开路，一次绕组施加 额定频率额定电压时的情况。 矶 砌 ［［［［［［ 式中， 匝数， ——磁路平均长度。而磁感应强 变压器空载运行示意见图４（以Ａ相为例），当 变压器一次侧接额定的试验电压 。时，就有空载电 流，０产生，此电流产生交变磁势，０ 。，并建立交变 度Ｂ的变化总是滞后于磁场强度 变化。产生磁滞 现象的原因是因为在外磁场作用下所发生的磁畴边 界的移动具有不可逆的性质。当频率一定时，磁滞损 失与磁感应强度最大值成正比。 由于涡流和磁滞的原因，空载时变压器从电源 磁通，磁通的绝大部分通过铁芯而闭合形成主磁通 ｆ ，少量磁通经过空气与原绕组自行闭合形成漏磁 通ｆ。。主磁通和漏磁通分别在二次侧产生感应电动 势。 ● 吸收的功率，除极小一部分消耗于一次线圈的电阻 外，主要损耗于铁芯。铁芯损失Ｐ ＝Ｐｗ＋Ｐｃ（涡流 损失＋磁滞损失）。 空载试验的目的就是要测量并求出变压器的铁 芯损失，以反映变压器的技术经济指标。空载时的有 功功率： Ｐｌｏ＝ＵｌｏｌｌｏＣＯＳ ｌ 。ｓ 多 ，０ ． 、， ＝ｉ……一卜……一 （ （ （ 一） （ ） Ｗ） ） ＿－ －● Ｉ Ｗ２（ （ 图４ 空载运行示意图 Ｆｉｇ．４ Ｎｏ・ｌｏａｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｋｅｔｃｈ ｃｈａｒｔ 式中 。一一次电压和电流之间的相位差，它的变化 范围为０ ≤ 。≤９０。。电流，０应比主磁通ｆｍ越前ｄ 因为ｆ・＜＜ｆ ，故忽略漏感电动势和线圈电阻 时，二次侧两端电压与电动势基本相等相位相反： Ｕ２＝一Ｅ２ 角，铁损越大，则此ｄ角愈大，此角叫铁内损失角，见 图５。 从图３中可知，在空载试验时可测得变压器每 在交流磁路中，交变的磁通不仅在线圈中产生 相的 。ｏ、，ｌ０、Ｐ。。值。俄罗斯莫斯科变压器厂提供的 维普资讯 http://www.cqvip.com 铁 合 金 ２００６生 在最高二次电压级下的空载损耗功率为２３ ｋＷ。 ，０ ３ 变压器短路试验 腩功 ３．１ 短路试验 磁化分量 将变压器二次侧绕组短路，从一次侧绕组加入 额定频率的交流电压，使一次绕组内的电流达额定 电流，测量所加的电压和功率，短路试验接线图（见 图６）。 Ｅ 短路试验是在现场进行，由于受设备条件的限 图５ 相量图 制，故要注意一次侧加电压时不能使一次电流超过 Ｆｉｇ．５ Ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ 额定值，二次侧的连接铜排要考虑能承受二次的额 定电流。 －＂１ ． — ’Ｌ ｌＩ ５ 一 Ｌ‘ 皂 Ｃ 中 Ⅳ一，＾、／－、２ 一 Ｌ‘ —－－Ｊ’Ｌ — Ｌ● 、 ●广 — ！广 ｌ厂］ 弋 广弋 ；，＿－］ ｌ 一 图６短路试验接线图 Ｆｉｇ．６ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｅｓｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ３．２短路试验分析 低电压下进行。当短路电流为额定值时，一次电压一 短路试验的目的是测得变压器铜损的有关数据。 般只有额定电压的５％一１０％。在试验时，一次电压 ３．２．１ 短路特性（等效电路如图７所示） 由零逐渐加大，至电流达１．２ ，逐点测出短路电流 ，ｋ和输入功率Ｐ。 值，以此绘出短路特性曲线（现场 十恐 无条件），见图８。 Ｉｋ．Ｐｋ 卜 图７ 等效电路图 Ｆｉｇ．７ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ 从变压器简化等值电路图７可以看出，当二次 侧短路时负载阻抗Ｚ＝０，此时短路电流取决于一次 电压 和阻抗ｚｋ，由于 值很小，短路试验要在 图８ 短路特性曲线 Ｆｉｇ．８ Ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕＩ￣ｅ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 顾阳 变压器的空载、短路试验及其最佳效率的探讨 ３．２．２ 短路损耗 短路时，变压器从电源所得的功率Ｐ。 全部消耗 于一、二次绕组的铜耗，因短路试验时电压很低，铁 铜耗：Ｐｌ （ Ｌ） ・Ｐｌ ｋＮ＝ Ｐｌ ｋＮ ，２ 式中，Ｐ。 一额定电流时的短路损耗，负载系数Ｂ一 任一负载下二次电流与二次额定电流之比。 耗很小，可忽略不计。 Ｐｌ ， ｒｌ＋，２ｒ２＝，２ｒｋ ｒｋ＝Ｐｌ ｋ／， Ｐｌ ∞ Ｘｋ＝ｒｋｔｇｔｐｋ 由于绕组的电阻是随温度而变化，油浸变压器 的短路电阻值需换算到７５ 时的数值。 ３．２．３ 短路电压 短路试验时一次侧达到额定电流所需加的电压 称为短路电压，通常用额定电压的百分比表示： Ｕｋ％： ： ！！ ×１００％ ｌＮ ｌＮ 式中， 一短路阻抗（已折算到７５℃） 由于变压器内部存在电阻和漏抗，因而当负载 电流流过时，变压器内部产生电压降，造成二次侧端 电压随负载电流的变化而变化，电压变化率可用下 式表示： △ ： ：Ｕ２Ｎ ； ！ 式中，ｕ 一负载端电压；Ｕ ｏ一空载端电压。 从电压变化率的观点，希望短路阻抗 小些， 但 过小短路电流就大，短路电磁力也大，因此对 各种容量的变压的 有一定规定。通过短路试验求 得 可算出 是否在规定范围内。 ４ 变压器的效率 对引进的６．３ ＭＶＡ电炉变压器进行空载试验 和短路试验的目的主要是复核变压器的内在损耗， 以掌握该台变压器的参数。 我们把输出功率Ｐ 与输入功率Ｐ。之比的百分 数称为变压器效率： ＝鲁 。％ 变压器的输入功率Ｐ。＝Ｐ２＋Ｐ。ｏ＋Ｐ 式中，Ｐ。ｏ一铁损功率，Ｐ。 一铜损功率。通过空载试 验求出Ｐ。ｏ，短路试验求出Ｐ 即可计算效率： ＝－一半Ｐ ＝ｌ －一——Ｕ—２／—２—Ｃ—Ｏ Ｓ Ｐ‘ｐ＋ ＋１０ Ｐ ｌｋ 可以认为Ｐ－ｏ在负载，２变化时保持不变，Ｐ ｏ＝ ｃｏｎｓｔ，而Ｐ 正比于负载电流的平方。而负载为／２时 变压器的输出功率： Ｐ２＝ ’ Ｎ’，２Ｎ。ｃ０ｓｔｐ２＝Ｊ８・ＳＮＣＯＳｔｐ２ 变压器的效率（以一相为例）： 竹：１一 ± ： ！ ￣ＳＮｃｏｓｔｐ２＋Ｐ１０＋ Ｐｌ ｋＮ 从上式可见，效率 与负载系数ｐ的函数关系 （见图９）可用二次函数关系式表示： ＝ ） ＝ ／３） 图９ 函数关系图 Ｆｉｇ．９ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ 从图９中可见， 变化到某一数值时效率最 大。最大效率可用导数求出。 将竹：１一 ！ ±一 ： 对Ｊ８微分可 Ｉ ￣ＳＮｃｏｓｔｐ２＋Ｐｌｏ＋谬Ｐｌ ｋＮ 得：Ｐ１０＝ Ｐｌ ｋＮ 由此可见，变压器效率最高的条件是不变损耗 铁耗等于负载系数的平方乘以额定负载时的铜耗时 变压器的效率最高。 ：、／ 当Ｊ８＝３ｍ时， 在拐点上，即变压器的效率决定 于铁耗、铜耗和负载的大小。当负载电流小时，可变 铜损很小，不变铁损是决定效率的主要因素。此时负 载增大，效率也增大。当负载电流较大时可变铜损随 ，２平方增大，故Ｐ２是随，２增大而增大，成为决定效 率的主要因素，效率随负载电流增大而逐步下降，因 此变压器经济运行的负载电流不一定是额定电流。 根据俄罗斯提供及现场复测的数据，６．３ ＭＶＡ 电炉变压器的铁损Ｐ０＝２３ ｋＷ，铜损Ｐ ＝５０ ｋＷ，可 求得负载系数： ＿０．６７８ 由此可见，该台变压器的负载电流运行在额定 维普资讯 http://www.cqvip.com ・２６・ 铁 合 金 ２００６正 电流的６７．８％时效率最佳。应该说明，这是对变压 器本体的效率而言，即输人与输出的功率关系，而变 压器能够承受的最大额定负荷又是另一概念。 小。变压器运行在额定电流时效率不一定最佳。变压 器效率最高的条件是不变损耗（铁损）等于负载系数 的平方乘以额定负载时的铜损值时，此效率最高。 ５ 结论 变压器的效率决定于铁损、铜损和负载的大 附表 三相有载调压油循环冷却电炉变压器参数 Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｌｏａｄｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｏｆ ｏｉｌ—ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｃｏｏｌｉｎｇ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ６ ３００ ５７７．４ ８ ９ １０ ｌ１ １２ １３ １４ １５ １ ２ ２ ３ ３ ４ ４ ５ ５ ６ ６ ７ ７ ８ ８ １ １ ２ ２ ３ ３ ４ ４ ５ ５ ６ ６ ７ ７ ８ ａ—ｘ ｂ—ｙ Ｃ—ｚ ４８０．０ ４６０．３ ４４２．１ ４２５．３ ４０９．８ ３９５．３ ３８１．８ ３６９．２ ３５７．４ ３３６．０ ３１７．０ ３００．０ ２８４．７ ２７１．０ ２５８．５ ７ ５７８ ７ ９０２ ８ ２２７ ８ ５５２ ８ ８７６ ９ ５０１ ９ ５２７ ９ ８５２ １０ １７７ １０ ８２５ ｌ１ ４７４ １２ １２４ １２ ７７６ １３ ４２２ １４ ０７１ ｘｌ—ａ２ Ｙ Ｊ—ｂ２ Ｃｌ—ｚ２ ｘ２一ｂｌ Ｙ２一Ｃｌ ｚ２一ａｌ ２４０．０ ２３０．１ ２２１．０ ２１２．７ ２０４．９ １９７．６ １９０．９ １８４．６ １７８．７ １６８．０ １５８．５ １５０．０ １４２．４ １３５．５ １２９．２ １５ １５５ ｘｌ—ｘ２ ａ ｂ ｃ １５ ８０８ 一ｂＪ—ｂ２ １６ ４５８ １７ １０１ ｙｌ—Ｙ２ １７ ７５２ 一Ｃｌ—Ｃ２ １８ ４０７ １９ ０５３ ｚｌ—ｚ２ １９ ７０４ 一ａｌ—ａ２ ２０ ３５４ ２１ ６５１ ２２ ９４８ ２４ ２４９ ２５ ５４３ ２６ ８４４ ２８ １５３ －＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋ 河南省召开铁合金、焦化行业“十一五”结构调整规划会议 河南省发展改革委根据国家关于加快铁合金、焦化行业 结构调整指导意见的通知等文件要求，结合河南省铁合金、焦 化产业发展实际，起草了《河南省铁合金行业“十一五”结构调 量１，３１７．２７万ｔ，较２０００年增长２．７倍，年平均增速 ２９．９７％，居全国第四位。二是品种与质量不断改善，产业结构 进一步优化。三是工艺技术不断ｉ女进，装备水平进一步提高。 二、产业发展中还存在着不少问题。主要表现为：一是 企业规模偏小，生产集中度较低。二是资源配置和产业布局不 合理。三是工艺装备总体水平不高。四是环保形势比较严峻。 五是能源消耗居高不下。六是资源综合利用水平较低。 三、扶优汰劣，持续推进行业结构稳步调整。淘汰落后的 生产工艺、技术装备和生产能力 黾促进产业结构优化升级，推 进产业快速发展的关键。一是要严格执行行业准入，加快淘汰 落后步伐。二是要支持和鼓励优势企业发展，对符合准入条件 进入国家《公告》的企业给予资金等方面支持。三是推进 技术创新，提升产业技术水平和核心竞争能力。 摘自《铁合金经济技术信息》 整规划（讨论稿）》、《河南省焦化行业“十一五”结构调整规划 （讨论稿）》。与会专家和各企业代表就全国及河南省铁合金、 焦化行业发展、技术进步及企业自身发展各抒已见，提出了加 快产业结构调整的意见和建议，并就以下问题达成共识。 一、铁合金、焦化行业快速发展。“十・五”以来，河南省铁 合金、焦化行业工艺、装备、技术研发、产品品种、质量产量等 各方面都取得了长足发展。一是产量快速增长。２００５年我省 铁合金产量５４．９８万ｔ，增长５１．７％，居全国第七位。焦炭产
