Калькулятор расчёта потерь в трансформаторе

Потери холостого хода возникают в стали магнитопровода при любом подключении к сети и не зависят от нагрузки, поэтому в справочниках обозначаются Р₀. Потери короткого замыкания — электрические потери в обмотках при номинальном токе, обозначаются Рк и растут с квадратом загрузки. Опыт холостого хода проводят при номинальном напряжении без нагрузки, опыт короткого замыкания — при пониженном напряжении и номинальном токе по стандартизованным методикам испытаний. В трансформаторе 630 кВА типовое соотношение составляет 1,25 кВт против 7,6–8,5 кВт.

Удельные магнитные потери нормируются межгосударственным стандартом на электротехническую сталь для каждой марки и толщины листа: сталь 3405 толщиной 0,35 мм теряет до 1,50 Вт/кг при 1,7 Тл, сталь 3408 толщиной 0,30 мм — до 1,20 Вт/кг. Переход с горячекатаной стали на холоднокатаную анизотропную снижает потери холостого хода в полтора-два раза. Тонкий лист дополнительно уменьшает вихревые токи. Именно поэтому современные трансформаторы серий ТМГ и сухие ТС строят на сталях 3405–3408 толщиной 0,27–0,35 мм.

Максимум КПД достигается при равенстве постоянных и переменных потерь, то есть при коэффициенте загрузки β_опт = √(Р₀ ÷ Рк). Для трансформатора с Р₀ = 1 501 Вт и Рк = 7 743 Вт оптимум лежит на β = 0,44; у распределительных машин проектировщики держат β_опт в диапазоне 0,4–0,6. Эксплуатационная загрузка городских сетей 0,6–0,8 близка к этой зоне. Рост КПД выше оптимума замедляется, зато растут потери в обмотках.

Сопротивление меди растёт с температурой: при нагреве с 20 до 75 °С удельное сопротивление увеличивается с 0,0175 до 0,0213 Ом·мм²/м, то есть на 21,6 %. Поэтому паспортные потери короткого замыкания масляных трансформаторов нормируются при расчётной температуре 75 °С по стандартам на методы испытаний. Для сухих трансформаторов класса нагревостойкости F приведение выполняют к 115 °С. Алюминиевые обмотки при тех же условиях имеют сопротивление 0,0342 Ом·мм²/м.

Годовые потери складываются из стали, работающей всё время подключения, и обмоток, нагруженных по графику: W = Р₀·Т + Рк·β²·τ. Трансформатор с Р₀ = 1,5 кВт за 8760 часов под напряжением расходует 13 152 кВт·ч только на холостой ход. Нагрузочная составляющая при Рк = 7,7 кВт, β = 0,8 и τ = 3000 часов добавляет 14 867 кВт·ч. Суммарно силовая установка теряет около 28 000 кВт·ч в год — стоимость энергии окупает выбор энергоэффективной серии за несколько лет.

Удельное сопротивление алюминия 0,028 Ом·мм²/м в 1,6 раза выше меди (0,0175 Ом·мм²/м), поэтому при равном сечении алюминиевая обмотка теряет больше. Конструкторы компенсируют разницу увеличенным сечением проводника: масса алюминия при том же сопротивлении в 2,1 раза больше меди с учётом плотности 2700 против 8890 кг/м³. Серии ТМЗ и ТМГ часто выпускаются с алюминиевыми обмотками без роста паспортных Рк. Выбор определяется стоимостью металла и габаритами, а не потерями как таковыми.