1引言
配电变压器是全部受配电设备中发挥着重要作用，并且是应用历史较长的器件之一。变压器发明100多年以来，其基本原理没有改变。但随时代的进步和科学技术的发展，配电变压器所用材料、结构设计、可靠性等都有质的进步与改善，特别是低损耗和小型化等方面的业绩尤为突出。
上世纪80年代前，对配电变压器的节能要求不高，但对变压器减轻重量和压缩体积的要求，推动了变压器铁心和线圈的小型化，其结果同时带来了节能的好处。但在此后出现了石油危机和地球变暖现象，于是节能被提上了重要地位，人们开始了降低变压器损耗的新技术、新材料和新结构的研制。在降低变压器损耗的研发过程中，发现其铁心材料（电磁钢板）起着极其重要的作用。为降低铁心的损耗，根据晶粒取向电磁钢带的磁性能，设计了多种带绕式铁心并完善了绕制技术，使铁心损耗不断减小。现在的变压器损耗比30年前已大幅度下降，因此，只有不断更新产品才能不断推进节能技术与材料的发展。
近年来，地球环境恶化的情况越来越严重，世界各国举行了通过防止地球气侯变暖框架条约的国际会议，拟订了《京都议定书》。为了减少CO2气体排放量和环境变暖，采取了多种多样的节能措施。在此背景下，世界各地的用户采用各种电气产品和设备时，就更倾向于节能产品。
根据用户对节能产品的需求，变压器的设计制造技术标准也不断向低损耗方向推进。1981年，在日本制定了比JIS标准规定的损耗还要低的《配电用6KV低损耗浸油变压器特性基准值JEM1392》，并于1999年修订的JIS中体现出来了。其后，2000年拟定了损耗更低的《配电用的6KV高效率油浸变压器的特性准值》（JEM1474）。同年又对模制变压器制定了《配电用6KV高效率模制变压器特性基准值（IME1475）》。
为了减少CO2气体排放，作为节能的措施是使耗能设备的能量利用效率达到节能基准值，合理地节约能源关系到对法律（节能法）所尽义务。
对于汽车、空调器、电冰箱等家用电器设备，历来要求其节能。但在工业设备中，最早要求节能的是高压配电变压器，随着市场竞争的激烈和节能的要求，同时受法律的约束，目前也必须推行节能变压器。
2配电变压器列入节能设备
2001年1月，“综合资源能源调查会节能基准部会”确定高压受配电用变压器为节能电器；2003年4月1日经修订的“节能法实施令”实施，进入法律化管理。
2.1关于节能设备
节能法第十七条规定了用于消耗能源的设备，其制造商和采购商都必须努力提高耗能设备节能性能。
因为高压受配电用变压器满足节能法第十八条规定的下列条件，故属于要求节能的特种设备：
a.是被大量使用的设备
变压器是所需要电力的地方之必要设备，高压受配电用的变压器处于电力传输系统的末端位置，连接二次侧的负载，因此属于大量使用的设备。
b.达到一定的当量能源消耗
高压受配电变压器的效率一般为96～98%（高效率变压器则超过99%）。与其它电气设备比较是效率非常高的，但为使所有要求的电力通过，其损耗率为2~4%将作为当量能耗。
c.提高节能特性的特殊设备
配电变压器在使用20～30年时即应该更新。目前的变压器与30年前的变压器比较，其所使用的铁心材料，制造工艺技术，产品结构特性都有了很大提高，尤其是损耗很小。更新的变压器应是标准规格的节能变压器。
为了提高整个系统的节能特性，必须采用这种节能特种设备。
2.2节能设备的范围
高压受配电用变压器是已指定的节能设备，但一些特殊用途的变压器除外。有关节能法令所规定的节能机器范围如表1所示。
2.3制造商的判定基准
有关提高高压变压器能源利用效率的特性之具体内容于2003年4月1日施行的“变压器性能提高以后制造商的判断基准”已作了规定。这个判断基准规定了基准能源利用效率，年度目标等，以及变压器制造商或采购商在目标年度制造节能变压器所应尽的义务。
a.基本能源利用效率
提高变压器效率的目标值是其基本能耗率。在目标年度中，制造厂商一年中出厂的产品能耗由出厂的台数能耗率加权平均值得出，厂商不能超出基准能耗率，这是应尽的义务。
如配电用变压器JIS标准和配电用高效变压器JEM标准所规定的那样，通常的变压器特性基准值是规定在无负载状态下和100%负载状态下的效率。但是，变压器的基准能耗率与目前的变压器能耗特性的规定是不相同的。以下是规定的全损耗负荷率：
①容量在500kVA以下，负荷率40%。
②容量超过500kVA，负荷率50%。
该负荷率是来自日本电机工业会社对所实施的负荷率调查结果。
基准能耗率（单位，W）按表2所列计算式，规定了变压器的种类、容量（单位，KVA）、相数及各种频率。表2所列的基准能耗率是标准样品的基准值，而标准样品的基准值是乘以下列系数得到的：
①油浸变压器：1.10
②模制变压器：1.05
所谓标准样品就是满足表1所列出的标准规格的产品。
这种标准能耗率是以现有产品的最佳特性决定的。满足这种标准的变压器被称为顶级变压器。
b.目标年度设立
目标年度的设定以下列3点要求考虑，设定了目标要尽可能早日达到。
①节能化技术开发期
②设计变更及生产准备的时间
③产品与材料、备件的在库处理及更新的目标为：
▲油浸式变压器：2006年度（从2006年4月产品出厂开始）
▲模制变压器：2007年度（从2007年4月出厂的产品开始）。
通常，模制变压器的金属模的制造与更新等的生产准备时间较长，故应该与油浸式变压器所设定的目标年度有所不同。
2.4能耗率标准
规定的基准能耗率的标准是以顶级变压器的标准按JEM标准制定的。
a.油浸变压器（JEM1482）：对应于节能设备的高压受配电用油浸式变压器能耗率的基准值（2003年1月制定）；
b.模制变压器（JEM1483）：对应于节能设备的高压受配电用模制变压器的能耗率的基准值（2003年1月制定)；
上述的JEM分为两类，均以标准产品作为第一种变压器和第二种变压器。
同时，在JIS标准中的油浸变压器和模制变压器预定于2005年4月改为顶级变压器，即：
▲油浸变压器（JIS4304）：2005年4月改定。
▲模制变压器（JIS4306）：2005年 4月改定。
同时，现行的高效变压器特性基准值，即JEM标准（油浸式变压器，2006年，模制变压器，2007年）均将废止。
2.5行业制定的基准
根据2003年4月1日施行的《企业或行业能源利用合理化的行业判定基准》，要求促进、普及顶级变压器的节能。在此过程中，需要按照《提高变压器性能有关制造行业的判定标准》所规定的能耗率为目标，对高效变压器加以研究。并以高效率变压器为目标作为年度节能目标的标准。
3绿色采购法
日本国对环境保护产品已制定了“绿色采购法”。按照绿色采购法，企业法人与地方公共团体均有促进供应环保绿色产品的义务。
为了有计划地系统综合推广环保绿色产品，日本也制定了环保产品推广办法、方针，其中有推广的基本方向和重点，也确定了列入推广的环保产品的名称。2004年3月16日，日本政府追加了新的节能产品目录，其中包括了可以满足基准能耗率的变压器。由此，节能型顶级变压器的普及率必将急剧增加。
4变压器的工作原理
变压器是一种变换电压的设备，从输配电系统到企业、家庭的电气设施都广泛地使用变压器。
电能从发电厂输送到使用能源的工矿企业、办公楼盘和家庭，为实现经济地供电就需要对电压进行变换以输配电，故消费电能的电气设备和装置都需使用变压器。
变压器的结构示意图见图1，由磁心和二个线圈构成，接入电源的称为一次线圈，接至消费能源电器的线圈称为二次线圈。
连接电源侧的一次线圈中的电流使磁心产生磁力线（φ）交互变换及电磁感应作用，使在同一磁心上的二次线圈产生感应电压，所感应的电压大小由一次与二次线圈的匝数比决定。设一次线圈的匝数为n1，二次线圈的匝数为n2，则一次线圈和二次线圈的感应电压相应为V1和V2，那么，它们与匝数间的关系式为：
 (1)
5降低磁心损耗的技术
变压器的损耗一般可以分为空载损耗和负载损耗，图2是变压器损耗的详细分解力图；图3所示为变压器的低损耗技术。变压器设计制造中采用低损耗技术后，空载与负载损耗都可以降低。
5.1利用电磁钢的磁畴控制技术降低空载损耗
图3是电磁钢的磁畴控制技术示意图。图中示出了磁畴的结构；在低铁损高取向的电磁钢板的面上加工出沟槽，用其细化磁畴以得到损耗更低的高取向电磁钢板。
①细化磁畴可降低空载损耗：磁畴细化后使铁损进一步降低，如果采用最高级的磁畴细化电磁钢板制作变压器，其空载损耗将大幅度降低。
②磁畴细化后，进一步降低了变压器噪声：使用细化的磁畴之电磁钢降低了磁致伸缩，因此使变压器在运行中的噪声降低。
③采用多股线绕制高压线圈及其变位来降低变压器的负载损耗：导体在交变磁场中会产生涡流损耗，如果高压线圈用多股线绕制或者变位，可以降低这种涡流损耗。
④盖板采用不锈钢板制造可降低涡流损耗：顶盖板采用非磁性材料不锈钢制作可抑制涡流损耗。
⑤关于高取向电磁钢板
取向电磁钢具有磁力线在轧制方向容易通过的特性。但在材料的晶粒尺寸较小时，磁力线容易通过的方向（易磁化轴方向）与轧制方向有一定的偏移，标准取向电磁钢的平均偏磁移量为7度。对于高取向的电磁钢，易磁化轴的偏移量则为3度，因此，这是一种低磁滞损耗的电磁钢（见图4所示）。
⑥关于磁畴细化的电磁钢
磁性材料的内部结构有许多被称为磁畴的小区域，每一磁畴内的磁矩具有同一方向性。磁畴与磁畴之间的边界称其为畴壁（如图5所示）。
变压器的空载损耗大致等于其铁心产生的损耗（即铁损）；铁心损耗（Wir）由磁滞损耗（Wn）和涡流损耗（Wer）组成。而涡流损耗又分为经典意义上的涡流损耗（We）和异常状态下的涡流损耗（Wa），如下式表示：
 (2)
式中， (3)
 (4)
 (5)
式中，Wir—总铁损，f—频率，Bm—磁感应强度，K—1.6~3，t—电磁钢板厚度，BS—饱和磁感应强度，V—畴壁移动速度。
由式(5)可见，异常状态下的涡流损耗取决于畴壁移动速度。磁畴细化是高取向电磁钢板上加工出沟槽形成的。其降低了畴壁移动速度，从而使电磁钢的损耗下降。
从式(3)式(4)可见，电磁钢的磁滞损耗和经典涡流损耗取决于设计所取的磁感应强度值，设计所取的磁感应强度低则将使这部分的损耗降低。
采用磁畴细化技术后的低铁损材料做成的铁心，因其磁滞损耗和异常涡流损耗降低，又因设计所取的磁感应强度值低使磁滞损耗和经典涡流损耗降低，故而使变压器总的空载损耗降低。
5.2以多股线绕制高压线圈降低负载损耗
负载损耗是由负载电流流经一次线圈和二次线圈时所产生的损耗，表达式为：
 (6)
式中，We—变压器总负载损耗，Wei—电阻损耗（即线圈导体电阻所产生的损耗Wei=I2R），Wce—涡流损耗，Wcs—线圈以外的零件产生的漂游损耗，I—负载电流，R—线圈导体的电阻值。
一般情况下，从经济性角度考虑时，标准变压器线圈主要采用铝导线绕制。为了降低变压器负载损耗，采用电阻率低的铜线或加大导体的截面积以使线圈的电阻下降；但加大导体的截面积时涡流损耗也会增加，因此在设计中必须对其做出折衷。
将导体置于交流磁场中(如图6所示)，导体中将产生电流，有涡流流过，因此有涡流损耗产生，其关系式为：
 (7)
式中，t为垂直于磁场方向的导体宽度。
由式(7)可知，垂直于磁场方向上的导体宽度越大，涡流损耗也越大。图3所示的用多股导线绕制高压线圈或变位，导体内的循环电流将会消失，即线圈的涡流降低。
5.3采用不锈钢作变压器油箱顶盖板降低涡流损耗
除了变压器的线圈产生涡流损耗外，对于油浸式变压器则还有一些零件会产生漂游损耗，如流经线圈的电流经过变压器衬套部位、磁力线通过油箱的顶盖板都产生涡流损耗。所以，将变压器油箱的顶盖板用非磁性的不锈钢板材料制造时，就会降低穿过该顶盖板的磁通量，从而降低涡流损耗。
6变压器的节能
现有的变压器通常都要使用30年以上。自上世纪70年代以来，由于技术的进步和新型材料的发展，推进了变压器损耗的降低。目前仅仅按照JIS标准制造的标准型变压器就达到了较好的节能目标。如果推动更为节能的低损耗高效变压器、顶级变压器，则节能效果会更加明显。
变压器的损耗值因负载的不同而异，所以，在计算变压器的节能效果时，与其说是设计变压器的损耗，不如说是设计计算其负载率。下面简要介绍变压器节能效果的计算方法，对象是用30年前的油浸式变压器的设计为前提，更新成目前的顶级节能变压器的计算方法。
6.1变压器的损耗
变压器的空载损耗主要是铁心损耗，和负载率无关。而负载损耗则是线圈内流过电流产生的损耗，所以变压器损耗的表达式为：
 (8)
式中，W—变压器的总损耗(W)，Wi—空载损耗(W)，We—负载损耗(W)，Pe—等效负载率(%)。
6.2等效负载率的计算方法
变压器的实际负荷状况是非常复杂的，如图7所示，它是按直方图近似计算得到的。将负载的时间按每个时间段Ti分组，各组的负载率平均近似值为Pi，所以其等效负载率由下式表示。
 (9)
6.3节能效果计算举例
图8所示为30年前的1000kVA、50Hz油浸式变压器运行状态的负载率（等效负载率50%），如果用高效顶级变压器更新后，按下式计算，一年可节约电费46.5万日元，一年减少CO2排放量可达16.0吨。图9所示为三相1000kVA、50Hz的三种变压器的节能效果对比实例（三种变压器分别为30年前的油浸式变压器、JIS标准油浸式变压器、高效顶级油浸式变压器）。
等效负载率
=
=约50%
①30年前的油浸式变压器
空载损耗：4960W；负载损耗：12680W。
按负荷率为50%的变压器总损耗为：
4960W+×12680W=8130W
②高效顶级油浸变压器
空载损耗：1040W；负载损耗：9040W。
按负荷率为50%的变压器总损为：
1040W+×9040W=3300W
一年内节约的电量为：
=42311 kWh
③一年内节约的电费
按11日元/1kWh计算，一年内节约的电费为：

④减少的CO2排放量
按煤电的CO2排放系数0.378kg/kWh计：
CO2排放量的减少量=42311kWh×0.378kg/kWh=16.0t
7结束语
变压器是一种特定的节能设备，在目标年度内（油浸变压器为2006年，模制变压器为2007年），变压器制造厂商一年中所制造的变压器的能耗率与所制造的台数进行加权平均，其加权平均值不得超出特定节能设备的基准能耗率。因此，变压器的节能工作正在逐步推进，虽然至今已取得了很大进步。但从保护地球环境的立场出发，在推出特种设备节能的同时，还必须考虑其资源的循环利用，研究开发新材料及其应用技术也是非常重要的。这是使变压器进一步小型化、轻量化和降低损耗的重要措施。
(参考文献略)