一文详解单相变压器空载运行状态

空载运行是变压器的一种极限运行状态。变压器的空载运行是指原绕组接入电源电压、副绕组开路，副绕组里没有电流流过时的最简单的运行情况。

一、空载运行的物理过程

1、上图所示为单相变压器空载运行的示意图。副绕组端头ax开路，原绕组端头AX接上电源。在外加电压U1作用下，原绕组中流过一个交变电流，这个电流称为空载电流，用I0表示。I0在原绕组中产生交变的磁势F0=I0N1，并建立空载时的磁场。由于铁芯的导磁系数比空气或油的导磁系数大得多，使得I0N1所产生的磁通绝大部分(占总磁通的99%以上)被约束在铁芯中，沿铁芯磁路而闭合，并与原、副绕组的全部匝数相交链。这部分磁通是联系原、副绕组的媒介，起传递能量的作用，称为主磁通，用φm表示。另有一小部分磁通沿空气或油等非铁磁材料在原边自行闭合，这是一些仅与原绕组的全部或部分匝数交链，而不穿过副绕组的磁通，称为原绕组的漏磁通，用φ1δ表示。

2、应当指出，主磁通和漏磁通无论在性质上，还是在所起的作用上都是不同的。主磁通因受铁芯饱和的影响，与产生主磁通的电流之间是非线性的关系，即φm与I0不成正比。由于主磁通不仅在原绕组内感生电势，而且在副绕组内也感生电势，所以能传递能量;原绕组漏磁通主要沿非铁磁材料闭合，与I0之间是线性关系，而且这个漏磁通仅能在原绕组内感应电势，所以它不能传递能量，只能对原边电路起电抗压降的作用。

3、根据电磁感应定律，主磁通在原、副绕组内的感应电势分别为

e1=-N1dφ/dt，e2=-N2dφ/dt

假定主磁通按正弦变化，即φ=φmsinωt，则感应电势为

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分别为原、副绕组感应电势的瞬时值;N1和N2分别为原、副绕组的匝数;E1和E2分别为原、副绕组感应电势的有效值;φm为主磁通最大值。

原边电路中除了感应电势外，空载电流通过原绕组电阻要产生电压降，空载时，副绕组中没有电流，不产生电压降，所以副绕组的端电压等于其感应电势。

二、空载运行的技术参数

1、电压比

变压器的原边电势E1和副边电势E2之比称为变压器的变比，用K表示，即K=E1/E2=N1/N2

变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。空载时，由于U1≈E1，U2≈E2。故变压器原、副绕组的电压比可以近似地认为等于原、副绕组的匝数比，即

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

应当注意，变比K习惯上都取高压对低压的比值。三相变压器的变比K是指原、副绕组线电压的比值。

2、空载电流

变压器空载运行时，空载电流I0主要是用来激励主磁通。空载电流包含两个分量:一个是磁化电流Iμ,单纯起励磁作用，为空载电流的无功分量，它与主磁通φm同相，比外加电压U1滞后900;另一个是铁耗电流Ife，因磁滞和流损耗而引起，为空载电流的有功分量，它与Ù1同相。Ife与Ù1的乘积就是空载时原绕组从电网吸取的有功功率，供给铁芯损耗。

从理论上讲，空载电流的有功分量中还应当包含引起原绕组电阻损耗的电流、由于这个电流不到空载电流有功分量的1%，对I0的影响很小，因此略去不计。

变压器是效率很高的电气设备，空载损耗很小，而Iμ远大于Ife，通常Iμ=0.995I0，故可近似地用Iμ=I0来分析空载电流的性质，这是工程上常用的一种不影响本质的分析问题方法。

3、空载损耗

1)变压器空载时没有输出功率,从电源吸取的功率P0全部消耗于内部，故称为空载损耗，空载损耗的绝大部分是铁芯损耗PFe，只有极少部分是原绕组电阻产生的铜损耗PCu=I20r1。但因空载电流及原绕组电阻都很小，铜损耗约占空载损耗P0的2%，因此可以认为空载损耗P0等于铁芯损耗PFe。

空载损耗为

P0≈PFe=U1Ife=U1I0cosφ0。式中φ0为U1与I0之间的夹角。

2)铁芯损耗是铁芯在交变磁化下产生的磁滞损耗和涡流损耗。

(1)磁滞损耗是交变磁化过程中，磁畴之间不断地相互摩擦而引起的能量损耗，它的大小取决于电源的频率和铁芯材料的磁滞回线的面积。电源频率愈高，磁滞回线的面积愈大，磁滞损耗就愈大。由于硅钢片的磁滞回线面积较小，所以变压器的铁芯都采用硅钢片。磁滞损耗在f=50Hz时，约占铁芯损耗的85%左右。

(2)涡流损耗是交变磁场在铁芯内部感生涡流所引起的能量损耗。涡流损耗与铁芯磁密幅值和频率的平方成正比，还与钢片厚度的平方成正比。为了减小涡流损耗就要减小钢片厚度，所以硅钢片的厚度通常制成0.5和0.35mm;其次要增加涡流回路的电阻，所以硅钢片中都有含量较高的硅，用以提高电阻系数。

3)一般电力变压器在额定电压时，空载损耗约为额定容量的0.2～1%，随着变压器容量的增大，空载损耗所占的百分比降低。