变压器损耗包括什么

变压器损耗是衡量其运行效率与经济性的关键指标，主要分为空载损耗（铁损）与负载损耗（铜损）。空载损耗由铁芯的磁滞与涡流效应产生，基本恒定；负载损耗则随负载电流变化，源于绕组电阻。深入理解这两大类损耗的构成、影响因素及降低策略，对于变压器的设计选型、节能运行与全生命周期成本管理具有重要实践意义。

       在电力系统的庞大网络中，变压器如同不知疲倦的“能量搬运工”，静默地完成着电压升降的关键任务。然而，在这个能量传递与转换的过程中，没有任何设备能做到百分之百的效率，总有一部分电能会以热、声等形式被消耗掉，这部分被消耗的能量，就是我们常说的变压器损耗。对于电力工程师、设备采购人员乃至关注能效的企业管理者而言，透彻理解变压器损耗究竟包括什么，不仅是评估设备性能的基础，更是实现节能降耗、优化运营成本的核心切入点。本文将深入剖析变压器损耗的构成，并探讨其背后的物理原理与应对策略。

       

一、变压器损耗的核心分类：空载与负载

       根据国家标准《电力变压器》（GB 1094.1）及相关技术规范，变压器的总损耗通常明确划分为两大类：空载损耗和负载损耗。这种分类方式直接对应于变压器的两种基本运行状态，清晰地区分了损耗产生的不同根源与变化规律。

       空载损耗，顾名思义，是指变压器在一次侧绕组施加额定频率的额定电压，而二次侧绕组开路（即不接任何负载）时，变压器自身所消耗的有功功率。此时，变压器铁芯中建立了交变磁通，但绕组中没有负载电流流过。因此，空载损耗主要与铁芯材料及其工作状态密切相关，故又常被称为“铁损”。

       负载损耗，则是指当变压器二次侧绕组短路，在一次侧绕组施加额定频率的电流，并使电流达到额定值时，变压器所消耗的有功功率。这部分损耗主要产生于绕组的电阻，因此也常被称为“铜损”或“绕组损耗”。在实际运行中，负载损耗的大小并非固定不变，而是随着变压器所带负载电流的大小而变化。

       

二、空载损耗的深度解析：铁芯中的能量博弈

       空载损耗是变压器接入电网后便持续存在的损耗，只要一次侧有电压，无论是否带有负载，这部分损耗都会发生。它主要包含以下几个核心组成部分。

       首先是磁滞损耗。铁芯由磁性材料（如硅钢片）制成，在交变磁场的作用下，其内部的磁畴方向会不断跟随外磁场变化而翻转。这个翻转过程并非完全“顺从”，需要克服材料内部的摩擦阻力，从而消耗能量，并以热能形式散发。磁滞损耗的大小与铁芯材料的磁滞回线面积成正比，面积越大，每磁化一周消耗的能量就越多。因此，选用磁滞回线狭窄的高导磁硅钢片或非晶合金材料，是降低磁滞损耗的有效途径。

       其次是涡流损耗。根据电磁感应定律，交变磁场穿过铁芯这个导体时，会在铁芯内部感应出环绕磁力线的环形电流，即涡流。涡流在铁芯电阻上流动会产生焦耳热，造成能量损失。为了抑制涡流损耗，变压器的铁芯并非由整块钢材构成，而是采用表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成。这样可以将大的涡流路径切割成许多小的回路，显著增大电阻，减小涡流。损耗与硅钢片厚度的平方成正比，所以片材越薄，涡流损耗越小。

       此外，空载损耗中还包含一小部分附加损耗。例如，铁芯接缝处因磁通分布不均可能产生局部涡流；铁芯夹件、螺栓等结构件在漏磁场中也可能感应出涡流。这些损耗相对较小，但在高性能变压器的精细化设计中仍需考虑。

       

三、负载损耗的全面剖析：绕组电阻与杂散效应

       负载损耗是变压器输送电能时，因负载电流流过绕组而产生的损耗。它并非简单的直流电阻损耗，而是一个更为复杂的集合体。

       最基本的是直流电阻损耗，也称为基本铜损。它由绕组导线（铜或铝）的直流电阻决定，根据焦耳定律，其值等于电流的平方乘以绕组的直流电阻。这部分损耗计算相对直接，通过测量绕组直流电阻即可较准确评估。

       更重要的是涡流损耗。这里指的是绕组导线内部的涡流损耗。当交变电流通过导线时，产生的交变磁场会在导线自身内部感应出涡流，导致电流在导线截面上分布不均匀，趋向于表面流动，即“集肤效应”。这使得导线的有效电阻增大，产生的附加损耗就是绕组涡流损耗。同样，多根并联的导线之间，因磁场相互作用还会产生“邻近效应”，进一步加剧损耗。为了降低这些效应，大容量变压器的绕组常采用多根细导线并联并经过换位编织而成。

       另一大项是杂散损耗。这部分损耗范围较广，主要指负载电流产生的漏磁场在变压器其他金属部件（如油箱箱壁、夹件、压板、螺栓等）中引起的涡流损耗。漏磁场路径复杂，难以精确计算，但其产生的杂散损耗在大型变压器中可能占到总负载损耗的相当比例。通常通过电磁屏蔽（如油箱内壁加装磁屏蔽或电磁屏蔽）、使用非磁性材料制造结构件等方式来抑制。

       

四、影响变压器损耗的关键因素

       理解了损耗的构成，我们还需要知道哪些因素会影响它们的大小，以便在实际中加以控制。

       对于空载损耗，首要影响因素是铁芯材料。传统热轧硅钢、冷轧取向硅钢、高磁感取向硅钢以及非晶合金，其单位重量的损耗值依次显著降低。其次是工作磁密，设计时选择较低的工作磁密可以降低损耗，但会增加铁芯尺寸和材料用量，需要经济性权衡。电源电压和频率的波动也会影响空载损耗，电压升高或频率降低都可能使铁芯趋于饱和，导致损耗急剧增加。

       对于负载损耗，负载电流的大小是决定性因素，损耗基本与负载电流的平方成正比。绕组的电阻率（与导体材料和温度有关）直接影响直流电阻损耗。绕组的几何结构与排列方式则深刻影响涡流损耗和杂散损耗，优化设计至关重要。运行温度也不容忽视，绕组电阻随温度升高而增大，负载损耗相应增加。

       

五、空载损耗与负载损耗的运行特性对比

       从运行角度看，这两类损耗特性迥异。空载损耗基本恒定，只要变压器挂网运行，无论轻载、重载甚至空载，其值都大致保持不变，因此也被称为“固定损耗”。它决定了变压器的“待机能耗”。

       负载损耗则是可变的，它随着变压器所带负载的大小而变化，近似与负载率的平方成正比。在负载率很低时，负载损耗很小；当负载率达到额定值时，负载损耗达到其额定值；若过载运行，损耗会急剧上升。因此，负载损耗属于“可变损耗”。

       这种差异决定了变压器在不同负载率下的运行效率不同。对于长期运行于轻载状态的变压器（如某些农村配电变），降低空载损耗对节能意义更大；对于长期接近满载运行的变压器（如工业主变），降低负载损耗则更为关键。

       

六、变压器总损耗与效率的计算

       变压器的总损耗是空载损耗与负载损耗之和。但需要注意，实际运行中的负载损耗需根据实际负载电流进行折算。若已知额定负载损耗和当前负载率，则当前负载损耗约为额定负载损耗乘以负载率的平方。

       变压器的效率是输出有功功率与输入有功功率之比，其计算公式为：效率 = （输出功率 / （输出功率 + 空载损耗 + 负载损耗）） × 100%。变压器的效率并非恒定，它在某一负载率下达到最大值，该点通常设计在负载率小于1的某个位置，以适应实际运行中负载的波动。

       

七、降低空载损耗的技术与材料革新

       降低空载损耗是变压器节能技术的主攻方向之一。最根本的途径是采用低损耗的铁芯材料。目前，高性能取向硅钢片已广泛应用。而非晶合金材料因其极低的磁滞和涡流损耗，成为制造超低损耗配电变压器的首选，其空载损耗可比同容量硅钢片变压器降低60%至70%。

       在设计和制造工艺上，采用步进叠片、全斜接缝的铁芯结构，可以减少磁通在接缝处的转向阻力与局部损耗。优化铁芯截面形状，使其更接近圆形，可以改善磁通分布均匀性。严格控制铁芯的加工应力与装配工艺，避免因机械应力导致铁芯磁性能恶化，也是保证低空载损耗的重要环节。

       

八、降低负载损耗的设计与工艺优化

       降低负载损耗同样需要从多方面入手。选用电导率高的无氧铜导线，可以有效降低直流电阻。对于绕组涡流损耗，需通过电磁场仿真计算，优化导线尺寸、并联根数及换位方式，以均衡绕组间的漏磁场，减弱集肤效应和邻近效应。

       控制杂散损耗是关键难点。在油箱内部靠近绕组的位置安装由硅钢片叠成的磁屏蔽或由导电材料制成的电磁屏蔽，可以引导和吸收漏磁场，防止其进入厚重的钢制油箱产生巨大涡流损耗。采用低磁导率或无磁性的钢材制作夹件、压板等结构件，也能显著减少杂散损耗。

       

九、其他形式的损耗简述

       除了空载损耗和负载损耗这两大主体，变压器在运行中还存在一些其他形式的损耗，虽然占比通常较小，但亦值得了解。

       辅助设备损耗：主要指冷却风扇、油泵等强制冷却设备运行时消耗的电能。对于大型变压器，这部分功耗不容忽视。

       介质损耗：主要存在于变压器油和固体绝缘材料中。在交变电场作用下，绝缘介质会发生极化并产生能量损失，其值与绝缘材料的性能、电场强度及温度有关。良好的绝缘处理和干燥工艺可以降低介质损耗。

       

十、变压器损耗标准与能效标识

       为了推动节能降耗，各国都制定了变压器的能效标准。我国现行的强制性国家标准《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052）明确了不同容量、电压等级变压器的空载损耗和负载损耗的限定值及能效等级。能效等级通常分为3级、2级、1级，其中1级能效最高。

       采购变压器时，应关注其能效标识，选择能效等级高的产品。虽然高效变压器的初始购置成本可能稍高，但其在整个生命周期内（通常为20至30年）节省的电费远远超过初始投资差价，具有极佳的经济效益。

       

十一、变压器损耗的测量与诊断

       准确测量变压器损耗是验证其性能、诊断潜在故障的重要手段。空载试验和短路试验是测量空载损耗和负载损耗的标准方法，通常在出厂试验和型式试验中完成。

       对于运行中的变压器，可以通过在线监测系统实时采集电压、电流、功率等数据，结合变压器参数模型，估算其运行损耗。若发现损耗异常增大，可能预示着铁芯多点接地、绕组松动或匝间短路、冷却系统效率下降等故障，需要及时安排检修。

       

十二、从全生命周期成本视角看待损耗

       在评估一台变压器的经济性时，不应只关注其初次购买价格，而应采用全生命周期成本（有时也称为总拥有成本）的分析方法。全生命周期成本包括初始购置费、安装费、运行电费（主要由损耗决定）、维护费和最终的处置费。

       对于长期连续运行的变压器，运行电费（即损耗成本）在全生命周期成本中占比最大。选择一款低损耗的高效变压器，尽管初期投资可能增加5%到15%，但其在二三十年的运行期内节省的电费价值可能数倍于初始投资的差价。因此，投资高效变压器是一项回报率极高的节能措施。

       

十三、不同类型变压器的损耗特点

       不同类型的变压器，其损耗构成和侧重点也有所不同。油浸式变压器散热好、容量大，其杂散损耗（尤其在油箱中）的控制是设计重点。干式变压器因绝缘和散热介质不同，其绕组设计、散热通道与油浸式有别，需要特别关注绕组的温升和局部过热引起的附加损耗。

       非晶合金变压器以其极低的空载损耗著称，非常适合负载率波动大、长期处于轻载或空载状态的配电场景。而高频变压器（用于开关电源等）由于工作频率高，其损耗主要表现为磁芯损耗（铁损）和绕组的集肤效应、邻近效应损耗，设计时需选用高频特性好的磁芯材料并采用利兹线等特殊绕制工艺。

       

十四、损耗管理与节能运行策略

       对于已投入运行的变压器，用户可以通过合理的运行策略来管理损耗，实现节能。首要原则是使变压器运行在经济负载区间。根据变压器的效率特性曲线，可以找到其运行效率最高的负载率范围，通常建议运行在额定容量的50%至75%之间。

       对于有多台变压器并列运行的变电站，应根据总负荷的变化，智能投切变压器台数，使每台运行的变压器都尽可能接近高效负载区，避免所有变压器长期轻载运行导致空载损耗占比过高。此外，维持供电电压在合格范围内尽量接近下限，有助于降低铁芯的工作磁密，从而减少空载损耗。

       

十五、未来趋势：超低损耗与智能化

       变压器损耗控制技术仍在不断发展。材料方面，更高性能的纳米晶合金、新型软磁复合材料等正在研发中。设计方面，基于三维电磁场、流体场与温度场多物理场耦合的精细化仿真设计，可以更精准地预测和优化损耗分布。

       智能化是另一大趋势。未来的智能变压器可能集成高精度传感器，实时监测铁芯和绕组的温度场、局部放电、振动噪声等多维信息，通过边缘计算或云平台分析，不仅实时显示损耗数据，还能预测损耗变化趋势，诊断早期故障，并自动调整运行策略（如智能风冷控制）以实现动态能效最优。

       

       变压器损耗，这个看似专业的术语，实则紧密关联着电力系统的运行效率、企业的用电成本和全球的能源可持续性。从铁芯中微观磁畴的翻转，到绕组导线内电流的重新分布，再到庞大油箱壁上的涡流涌动，损耗的物理图景既精妙又复杂。深入理解其包括的空载损耗与负载损耗两大核心及其细分构成，是我们选择高效设备、实施节能改造、优化运行方式的知识基石。在“双碳”目标的驱动下，关注并降低变压器损耗，已不再仅仅是技术经济性的考量，更是我们践行绿色发展的切实行动。希望本文的梳理，能为您拨开迷雾，更清晰地看清变压器能量流逝的路径，并找到管控它的钥匙。