變壓器優(yōu)化設(shè)計研究

摘要：隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，變壓器的整體性能得到了穩(wěn)步的提升，但從目前變壓使用情況來看，還存在著諸多的問題，有必須對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)變壓效用發(fā)揮的最大化。優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)是多樣的，如性能提升、節(jié)能減耗等，文章在保證變壓器性能、安全性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，主要基于節(jié)能節(jié)材目標(biāo)對變壓器優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析，以降低變壓器的經(jīng)濟(jì)成本，提高其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：變壓器；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TM835 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2014）15-0036-02

變壓器作為電力網(wǎng)絡(luò)中變電、輸電、配電的重要設(shè)備，其綜合性能、經(jīng)濟(jì)成本、節(jié)能環(huán)保等直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前，隨著電力工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，變壓器設(shè)計水平、制造工藝有了很大幅度的提高，但從總體水平來看，與發(fā)達(dá)國家還存在著一定的差距，特別是在變壓器的設(shè)計方面，還不能滿足高性能、低成本、少能耗等要求，因此，有必要對變壓器優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究，提高變壓器設(shè)計水平，保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、持續(xù)運行。變壓器優(yōu)化設(shè)計是在保證產(chǎn)品綜合性能的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)規(guī)范，結(jié)合用戶特殊需求，通過變壓器設(shè)計基本方法得出最優(yōu)的變壓器產(chǎn)品，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益雙贏的目標(biāo)。目前，按冷卻方式可將變壓器分為干式變壓器和油浸式變壓器兩種，雖然干式變壓器以諸多優(yōu)點得到了快速推廣和應(yīng)用，但還無法完全取代油浸式變壓器，特別是在農(nóng)網(wǎng)中，油浸式變壓器還占據(jù)著很大比例，因此，文章主要對油浸式變壓器的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析，以便產(chǎn)生最廣泛的實踐指導(dǎo)意義，以促進(jìn)油浸式變壓器在電力系統(tǒng)中整體效益的最大化。特別是隨著城市化進(jìn)程的加快，變壓器主要材料銅和硅鋼片價格不斷上漲，基于經(jīng)濟(jì)效益考慮，急需從設(shè)計方面加以優(yōu)化，這也是變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要出發(fā)點，在各方面性能達(dá)到規(guī)范要求和用戶需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)變壓器節(jié)能節(jié)材目標(biāo)。文章主要對變壓器鐵心柱截面、鐵心柱型式和鐵軛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析，同時對變壓器繞組方面的材耗和總耗降低措施進(jìn)行初步探討，對變壓器綜合設(shè)計水平的提高具有一定的借鑒價值。

1 鐵心柱截面優(yōu)化設(shè)計

鐵心是變壓器的導(dǎo)磁部分，其對硅鋼片導(dǎo)磁材料的消耗相當(dāng)大，對變壓器的圓形鐵心柱截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計有利于提高鐵心導(dǎo)磁材料的利用率。鐵心截面優(yōu)化設(shè)計的目的是為了在方案設(shè)計時選取合適的鐵心直徑參數(shù)，并方便地將磁通密度調(diào)整到合適的范圍。一般鐵心圓形截面設(shè)計是根據(jù)制定好的設(shè)計原則，預(yù)先設(shè)計出一組變壓器鐵心截面和各級尺寸寬厚，并制作成通用的參數(shù)表。在設(shè)計變壓器時，選定鐵心直徑后通過查詢鐵心參數(shù)表即可。這種直徑分檔設(shè)計方法操作起來非常方便，但磁密的調(diào)整幾乎不可能。為了減少磁密選擇的難度，提高變壓器鐵心材料利用率，鐵心直徑分檔應(yīng)當(dāng)更細(xì)些，如以2 mm或l mm為一檔，這種分檔方式使得鐵心截面積幅度變化減小。這樣，在每匝電勢值保持恒定情況下，可通過調(diào)整鐵心截面積的大小來調(diào)整磁密，達(dá)到優(yōu)化目的。

對于給定直徑的截面，采用片寬尾數(shù)為0或5的硅鋼片疊積得到的鐵心面積并不一定是最大的。在鐵心片不超過標(biāo)稱直徑的前提下，增加鐵心截面積的途徑主要有增加鐵心片級數(shù)和增加鐵心片級寬個數(shù)兩種方式。

在同樣直徑下，增加級數(shù)可以獲得更大的有效面積，但是級數(shù)增加要有限度，因為級數(shù)增加到一定程度，其對截面積的影響微乎其微。另外，為了提高鐵心截面利用率，減少鐵心面積變化的幅度，建議采用片寬為5的倍數(shù)，甚至是2的倍數(shù)硅鋼片。

2圓形截面優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)筆者對相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查，目前，國內(nèi)研究出了諸多變壓器圓形截面優(yōu)化設(shè)計算法，如多段動態(tài)決策法、Tabu算法、遺傳算法等，但所得出的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果都不是很規(guī)范，因此筆者建議在優(yōu)化設(shè)計實踐過程中采用遍歷搜索法和動態(tài)規(guī)劃法對圓形截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，鐵心片寬變化幅度變小和增加鐵心級數(shù)均可以在一定程度上增大鐵心截面積，但最小級片寬取得太小不一定能使鐵心截面積增大，況且鐵心最小級片寬受到鐵心壓板的壓緊力的限制，因此建議鐵心最小級片寬不宜太小。

3 鐵心優(yōu)化設(shè)計

為了提高鐵心材料的利用率，降低變壓器生產(chǎn)成本，鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也是很有必要的。變壓器鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是改進(jìn)鐵心柱截面形式，采用長圓形鐵心結(jié)構(gòu)可以更好地利用鐵心材料，并能降低變壓器的空載損耗。。長圓型鐵心截面如圖1所示，其中間部分為矩形，兩側(cè)分別由一個以矩形部分片寬為直徑的半圓組成。

長圓形截面鐵心通過改變片寬、疊厚和截面形狀，降低中心距和角重，減小鐵心質(zhì)量，降低空載損耗。雖然同等面積下圓形截面周長是最小的，鐵心柱截面改為長圓形會導(dǎo)致繞組每匝長度增加，從而導(dǎo)致導(dǎo)線質(zhì)量和負(fù)載損耗有少許增加。但是長圓形鐵心總體上是節(jié)能、節(jié)材的。如保持空載損耗大小不變，則可以減小鐵心的有效截面積，進(jìn)一步降低硅鋼片的用量。同時截面減小，繞組的周長、導(dǎo)線質(zhì)量和負(fù)載損耗也能和圓截面鐵心變壓器相當(dāng)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，長圓形鐵心變壓器消耗的主要材料成本比圓形截面鐵心變壓器下降約10%，節(jié)材效果十分明顯。

4繞組優(yōu)化設(shè)計

繞組一般情況下內(nèi)外徑均與鐵心截面形狀相同，這樣套裝容易，絕緣效果也很好。變壓器高壓繞組一般分撐為兩部分，它們之間采用一定寬度的撐條支撐形成散熱面。而散熱面問要求達(dá)到一定距離散熱效果才好，因此內(nèi)外兩部分的間隙一般取8~16 mm。對于高壓電壓等級不高的配電變壓器絕緣水平比較容易滿足，而高壓繞組直接暴露在散熱介質(zhì)當(dāng)中，散熱效果很好，這樣設(shè)置的氣（油）道使得高壓繞組溫升值較低。為了能充分利用繞組的散熱條件可以考慮改變第二部分繞組的結(jié)構(gòu)，在平行于鐵軛的方向不加撐條，垂直于鐵軛方向加厚度逐漸增大的撐條，形成橢圓形的繞組結(jié)構(gòu)。采用外徑為橢圓形的繞組結(jié)構(gòu)可以縮短鐵心柱的中心距，從而減少鐵心導(dǎo)磁材料的質(zhì)量和降低產(chǎn)品的空載損耗。由于撐條的減少，橢圓形繞組部分的周長會有所減少，從這一角度看，采用橢圓形繞組有利于降低負(fù)載損耗和導(dǎo)電材料用量。因此采用橢圓形繞組是節(jié)能、節(jié)材的。不過必須指出的是采用橢圓形繞組會對阻抗電壓有一定的影響，因為它減少了漏磁截面積。

5鐵軛優(yōu)化設(shè)計

變壓器的鐵軛截面積一般與鐵心截面積一樣大，并且采用圓形截面。如何在不改變鐵軛截面積的條件下，減少鐵心材料節(jié)能、節(jié)材是優(yōu)化設(shè)計的重點。一般通過采用D形結(jié)構(gòu)的變壓器鐵軛來實現(xiàn)節(jié)能節(jié)材。

事實上D形鐵軛截面積并沒有減少，只是除了最大片寬外，其他片寬的疊片均往下移動一定距離。由于最大片寬的位置決定了鐵心軛面與繞組之問的最小絕緣距離，其他片寬在截面變成D形后，絕緣距離與最大片寬一樣。只要最大片寬的絕緣距離滿足，其他所有片寬的絕緣也是滿足要求的，也即鐵心軛截面改成D形無需調(diào)整絕緣結(jié)構(gòu)。鐵心鐵軛采用D形截面時，其角重比采用圓形截面時有明顯減小。而且從圓形軛面到D形軛面，技術(shù)工作量不大，既節(jié)省了硅鋼片，又降低了空載損耗。

6結(jié)語

文章主要基于節(jié)能節(jié)材的角度對變壓器優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了分析，由于變壓器優(yōu)化設(shè)計的目的是滿足綜合性能、經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能環(huán)保等多項要求，因此優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)是額定電壓、額定電流、磁通密度、空載損耗、匝電勢、繞組匝數(shù)、溫升等基本參數(shù)的合理確定和正確計算?？傊?，變壓器優(yōu)化設(shè)計是一個系統(tǒng)性、綜合性的過程，需要從每一個細(xì)節(jié)著手，設(shè)計出各方面性能和效益最佳的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張安紅.電力變壓器的損耗研究和優(yōu)化設(shè)計[D].長沙:湖南大學(xué)，2005.

[2] 姜宏偉，巫付專.中小型變壓器鐵心截面設(shè)計[J].變壓器，2001，(9).

[3] 姚志松，姚磊.變壓器節(jié)能方法與技術(shù)改造應(yīng)用實例[M].北京:中國電力出版社，2009.