基于功耗問題如何做好節(jié)能型配電變壓器設計

郭良望

摘要：配電變壓器是電網(wǎng)中分布最廣、數(shù)量最多的電氣設備之一，通過合理的節(jié)能設計減少運行中配電變壓器的電能損耗，以達到高效、節(jié)能、減排的效果，這對整個配電系統(tǒng)有著不可忽略的作用和意義。基于此，本文對節(jié)能型配電變壓器設計若干問題進行分析和探討，希望能對高效節(jié)能型配電變壓器的推廣應用有所幫助。

關鍵詞：節(jié)能減排;環(huán)保設計;節(jié)能型;配電變壓器

配電變壓器作為使用最為廣泛的電力設施，數(shù)量特別巨大，型號復雜，難以管理的問題，需提高各方人員的節(jié)能意識，才能收到理想效果。目前節(jié)能已經(jīng)成為全社會共同關注與研究的課題。從節(jié)約能源、保護環(huán)境出發(fā)，高效節(jié)能型配電變壓器是目前變壓器行業(yè)的發(fā)展趨勢。盡管配電變壓器的能源轉化效率較高，但因其在供配電網(wǎng)絡中數(shù)目眾多，具有較大的節(jié)能空間。由于現(xiàn)在國內(nèi)很多地區(qū)的配電變壓器大部分為低能效等級產(chǎn)品，耗能相對較多，隨著節(jié)能減排綠色理念的不斷深化，通過系統(tǒng)合理分析及設計高效節(jié)能型配電變壓替換低能效配電變壓器對配電成本控制方面也有著重要意義。

一、新型節(jié)能配電變壓器的特點介紹

目前我國配電網(wǎng)使用的新型節(jié)能型配電變壓器主要由兩種型式，一種為非晶合金鐵心配電變壓器，另一種為三維立體卷鐵心配電變壓器。非晶合金配電變壓器是采用非晶合金材料取代傳統(tǒng)的硅鋼片作為鐵心的配電變壓器，三維立體配電變壓器是采用磁路結構上進行特殊布置的變壓器。非晶合金鐵心變壓器，簡稱非晶變壓器，鐵心采用非晶合金卷制而成。非晶合金鐵心變壓器是用新型導磁材料-非晶合金制作鐵心的變壓器，用于制作變壓器鐵心材料的非晶合金主要以鐵、鈷、硌、錳等金屬為合金基礎，并加入少量的硼、碳、硅等元素，因此具有鐵磁性良好、機械強度高、耐蝕性能好、制造工藝簡單、成材率高等優(yōu)點。非晶合金配電變壓器的最大優(yōu)點是鐵心損耗非常低，較目前廣泛采用的S11配電變壓器相比空載損耗降低約60～70%。如表1所示：

其中三維立體卷鐵心配電變壓器是近年來發(fā)展起來的新型節(jié)能配電變壓器，該變壓器采用傳統(tǒng)冷軋硅鋼片材料，在磁路結構上進行了特殊布置，使硅鋼帶的高導磁方向與磁路完全一致，三個心柱呈等邊三角形立體排列，三相磁路長度相同，且磁路與傳統(tǒng)疊片式相比最短，鐵心心柱的橫截面更加接近于圓型。在制造工藝上比傳統(tǒng)的疊片鐵心變壓器可減少5～6道工序。由于磁路上的特點，使其具有降低空載損耗、節(jié)省材料、減少噪聲等優(yōu)點。

二、新型配電變壓器節(jié)能原因

目前常用的新型配電變壓器是S11型疊鐵心變壓器。S11型變壓器采用的是外高磁化力的高導磁硅鋼片，片厚為0.27mm，單位鐵損1W/kg;新S9型為普通硅鋼片，片厚為0.35mm，單位鐵損1.55W/kg。如果要使單位損耗進一步降低，就需進一步采用激光照射和機械壓痕的措施，如日本采用激光照射的ZDKH冷軋取向硅鋼片，片厚0.27mm為0.93W/kg，片厚0.23mm為0.85W/kg。硅鋼片越薄，渦流的抵消效果越好，損耗越低。為了降低損耗，硅鋼片使用的厚度越來越薄。片形越薄，剛度越差，給疊積鐵心造成困難，而卷鐵心變壓器適宜使用薄型硅鋼片。因卷鐵心幾乎沒有疊鐵心的疊接接縫，減少了磁阻，因此空載損耗小。卷鐵心變壓器制作加工較困難（特別是630kV·A以上的變壓器），專用設備投資大，容量越小的，卷鐵心優(yōu)越性體現(xiàn)得越明顯;容量越大的，卷鐵心的優(yōu)越性就越顯現(xiàn)不出來。因此卷鐵心產(chǎn)品尚不具備明顯優(yōu)勢，近期不存在卷鐵心變壓器取代疊鐵心變壓器的趨勢。但薄型高導磁取向硅鋼片和非晶合金鋼片的大量生產(chǎn)，卷鐵心制造專用設備的研究成功，卷鐵心變壓器已被世界各國所重視，在將來有發(fā)展前途。

三、節(jié)能型配電變壓器的設計

3.1鐵芯的確定

鐵芯采用長圓形結構，與圓形結構鐵芯相比較其優(yōu)點在于當二者截面積相同時，長圓形截面的鐵芯具有更高的填充系數(shù)。在空間上，長圓形鐵芯結構又能使兩相線圈間的中心距縮小，這樣產(chǎn)品的橫向尺寸也會相應減小。

3.2低壓線圈的確定

當?shù)蛪壕€圈選用箔繞形式時，為了滿足溫升的需要，會在低壓線圈層間加入氣道，這就將低壓線圈分為內(nèi)、外2個部分，2個部分線圈層數(shù)分布對低壓線圈整體溫升的影響較大。根據(jù)低壓線圈溫升計算公式可知，低壓箔式繞組靠近鐵芯側不計散熱面積，也就是說靠近鐵芯部分的內(nèi)線圈只有一個散熱面，外線圈有2個散熱面。此時可采取將低壓線圈總匝數(shù)的1/3作為內(nèi)線圈的匝數(shù)，其余的2/3作為外線圈的匝數(shù)的方法，這樣內(nèi)線圈的發(fā)熱量約為整個線圈的1/3，外線圈為整個線圈的2/3，與二者散熱面積成比例，一般經(jīng)過計算兩部分溫升基本相同，低壓線圈散熱均勻，有利于延長變壓器壽命。另外，加入的氣道條的數(shù)量也要合理，氣道條數(shù)量太多會遮擋過多的線圈散熱面積，不利于線圈散熱，加入的氣道條太少則會支撐不了外線圈，使其不成型，出現(xiàn)凹陷的情況。

3.3空載損耗

3.4負載損耗

變壓器的負載損耗是電阻損耗、附加損耗引線損耗、雜散損耗的總和

3.5軟件設計

變壓器輔助設計程序需要實現(xiàn)2個功能，一是優(yōu)化設計功能;二是手動調(diào)節(jié)功能。當電磁方案優(yōu)化后，可以根據(jù)實際情況做適當?shù)氖謩诱{(diào)整，得到結構合理、性能優(yōu)越且適于生產(chǎn)的方案。手動調(diào)節(jié)的目的是對優(yōu)化后得到的方案進行修改，使修改后的方案滿足公司實際生產(chǎn)條件，并能和同類型產(chǎn)品形成通用化、標準化、系列化。

3.6優(yōu)化算法的選擇和實現(xiàn)

四、結束語

綜上所述，隨著我國節(jié)能減排工作的日益深入，在配電網(wǎng)中新增或更換變壓器時，應優(yōu)先考慮選擇低損耗的變壓器，特別是非晶合金鐵心配電變壓器和三維立體卷鐵心配電變壓器。通過分析電力變壓器容量與損耗的關系，合理提出計算臨界負荷電流的方法。在輕負荷時期，科學選擇配電變壓器的運行方式，達到降損節(jié)電的目的。

參考文獻：

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（作者單位：順特電氣設備有限公司）