變壓器的損耗研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾清林

（廣州西門(mén)子變壓器有限公司）

變壓器的損耗研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾清林

（廣州西門(mén)子變壓器有限公司）

變壓器損耗是當(dāng)代物理科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要概念。電力變壓器不只是我國(guó)現(xiàn)在供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，也是供電系統(tǒng)中的故障頻發(fā)設(shè)備。本文針對(duì)變壓器空載損耗和負(fù)載損耗，參考一些重要文獻(xiàn)進(jìn)行了較為深入的研究，推論出變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗的合理測(cè)量方法。電力變壓器同時(shí)也是電子設(shè)備上開(kāi)關(guān)電源的重要部件，變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高開(kāi)關(guān)電源功率的關(guān)鍵所在。本文從減小變壓器自身體積角度出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

變壓器；損耗；優(yōu)化設(shè)計(jì)

電力變壓器是目前我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)中的主要電力設(shè)施，主要用于變換交流電壓大小的現(xiàn)代化電氣設(shè)備。從發(fā)電、電力輸送、分配電力等電力傳送整個(gè)過(guò)程都要通過(guò)變壓器這一主要設(shè)備來(lái)完成，電力這一能源在人類(lèi)生活中的廣泛應(yīng)用使得變壓器在電力系統(tǒng)中占據(jù)著主要地位，也助力了變壓器這一行業(yè)的快速發(fā)展。變壓器設(shè)計(jì)原理是依據(jù)電磁感應(yīng)原理來(lái)進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)制造，工作原理是把某一等級(jí)的交流電壓轉(zhuǎn)換成另外一等級(jí)的交流電壓來(lái)滿足不同電力負(fù)荷的需求。隨著我國(guó)目前自然資源的日益枯竭，降低變壓器各種損耗、提高變壓器自身的運(yùn)行安全性和可靠性和實(shí)際工作效率以及優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)成為當(dāng)前一大熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 變壓器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

我國(guó)國(guó)內(nèi)變壓器制造由于受傳統(tǒng)制造理論以及不合理計(jì)算方法的限制，產(chǎn)品的安全性和可靠性問(wèn)題日益突顯且未能找到解決方法；國(guó)內(nèi)變壓器在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算方面發(fā)展相對(duì)不均衡，一些技術(shù)性計(jì)算軟件均是從法國(guó)、日本、瑞典、德國(guó)等一些計(jì)算軟件發(fā)展較為成熟的國(guó)家引進(jìn)。變壓器制造行業(yè)在我國(guó)是一個(gè)充滿發(fā)展前景的行業(yè)，同時(shí)充滿著機(jī)遇和挑戰(zhàn)；我國(guó)頒布的“七五”國(guó)家重點(diǎn)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目為降低變壓器的損耗以及優(yōu)化設(shè)計(jì)曾投入相當(dāng)大的人力和資金支持。只要不斷提高變壓器制造技術(shù)以及滿足設(shè)備安全性、可靠性這一前提，把握好變壓器市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，就能在這一行業(yè)取得成就。

2 變壓器損耗分析

變壓器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的傳輸電能以及電信號(hào)的主要設(shè)備，其主要功能是傳輸功率和變換電壓等。在理想狀態(tài)下，變壓器在傳輸功率及變換電壓等過(guò)程中發(fā)生的損耗應(yīng)為零。但是在實(shí)際傳輸以及變換過(guò)程中都有不同程度上的損耗出現(xiàn)：電流傳輸中的損耗，電磁的損耗，傳輸所需機(jī)械部件回路中的損耗等。變壓器的質(zhì)量、機(jī)械強(qiáng)度、以及各種損耗的指標(biāo)直接會(huì)影響到變壓器空載損耗和負(fù)載損耗值的大小。變壓器的損耗分布如圖1所示。

3 變壓器的空載損耗分析

空載損耗是變壓器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，是指變壓器一次繞組施加額定頻率額定電壓時(shí)，二次繞組空載所消耗的功率。主要包括三部分內(nèi)容：一次繞組所產(chǎn)生的銅耗、變壓器鐵芯的勵(lì)磁損耗和渦流損耗。因?yàn)榭蛰d電流值比較小，一般情況下占額定電流值的5%左右，可以忽略不計(jì)，所以在理論情況下變壓器空載損耗數(shù)值等同于鐵芯損耗數(shù)值。

圖1

4 變壓器的負(fù)載損耗分析

變壓器的負(fù)載損耗是指在一對(duì)繞組中，當(dāng)額定電流（分接電流）流經(jīng)一個(gè)繞組的線路端子，且另一繞組短路時(shí)在額定頻率及參考溫度下所吸收的有功功率。變壓器的負(fù)載損耗也叫做銅損，除了繞組中通過(guò)電流產(chǎn)生的損耗外，一般實(shí)際情況中還存在其他的附加損耗；通常將繞組中產(chǎn)生的電阻損耗成為變壓器的基本負(fù)載損耗。在理論情況下，變壓器的負(fù)載損耗只是評(píng)判產(chǎn)品損耗程度和判斷產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)參考值，而不是實(shí)際工作中的真實(shí)損耗值。

一臺(tái)變壓器的空載損耗和短路損耗成反向變動(dòng)關(guān)系，其它情況不變的情況下，當(dāng)空載損耗數(shù)值越大，那么負(fù)載損耗就會(huì)越小；當(dāng)一臺(tái)變壓器負(fù)載路損耗值較大時(shí)，可引發(fā)電流通過(guò)繞組時(shí)出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象使得繞組絕緣出現(xiàn)問(wèn)題。所以電力變壓器的空載損耗和短路損耗數(shù)值應(yīng)合理設(shè)計(jì)，而不能為了追求過(guò)低的空載損耗值而忽略負(fù)載損耗值的存在。

5 變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

設(shè)計(jì)變壓器是變壓器行業(yè)制造生產(chǎn)變壓器的首要工作，目前國(guó)內(nèi)外變壓器制造行業(yè)均引進(jìn)電子計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)對(duì)變壓器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行精密計(jì)算和研究。變壓器的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，包括了對(duì)變壓器機(jī)械材料，空載損耗和負(fù)載損耗數(shù)值的確定以及電路繞組等各種材料及數(shù)值的設(shè)計(jì)。變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在變壓器原有數(shù)據(jù)及型號(hào)的基礎(chǔ)上滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，對(duì)變壓器制造環(huán)節(jié)進(jìn)行高質(zhì)量設(shè)計(jì)，以降低變壓器制造的投入成本和提高變壓器的安全性和可靠性來(lái)更好的滿足客戶的不同需求。對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以保證變壓器的安全性和可靠性，而且可以降低對(duì)制造變壓器原材料消耗的減少以及提高變壓器在實(shí)際工作中的工作效率。

變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析過(guò)程是一個(gè)變量較多，優(yōu)化過(guò)程中需要滿足的約束條件也較多的非常規(guī)性工程優(yōu)化問(wèn)題。一般的變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程采用手工計(jì)算設(shè)計(jì)方法，但隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和引進(jìn)，變壓器設(shè)計(jì)開(kāi)始進(jìn)入計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)階段，利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算分析能找出所有變量變動(dòng)范圍內(nèi)的可行設(shè)計(jì)方案。但隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)變壓器要求的越來(lái)越高，變壓器設(shè)計(jì)行業(yè)所需考慮的設(shè)計(jì)工藝和制造生產(chǎn)相關(guān)因素也更多。除了機(jī)械材料和相關(guān)數(shù)值的確定外，還應(yīng)考慮變壓器的綜合制造加工成本、電磁設(shè)計(jì)以及安全可靠性的提高等問(wèn)題。因此，應(yīng)尋找合適的方法對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)滿足變壓器制造行業(yè)的不斷發(fā)展提出的更高要求。

變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是目前國(guó)內(nèi)變壓器制造行業(yè)所面臨的重點(diǎn)問(wèn)題。變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行；①控制降低變壓器制造的初始制造成本；②對(duì)變壓器的繞組、空載損耗、負(fù)載損耗等各項(xiàng)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要考慮電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)，指在滿足原有約束條件的基礎(chǔ)上，尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)變量使得制造變壓器所需的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最小。電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵因素是磁通密度和電流密度，這兩個(gè)因素直接影響到變壓器的電磁力大小和材料消耗的多少；當(dāng)磁通密度較大時(shí)，則需要的匝數(shù)較少，也就是需要的銅消耗量較少，這也從根本上控制減少了變壓器制造的初始經(jīng)濟(jì)成本。目前國(guó)內(nèi)的變壓器空載損耗數(shù)值和負(fù)載損耗數(shù)值的確定一般是通過(guò)空載、短路試驗(yàn)在離線狀態(tài)下測(cè)量得出的，這種方法浪費(fèi)了大量的人力和財(cái)力，而且使供電中斷。對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空載損耗和短路損耗數(shù)值實(shí)行在線測(cè)量，這樣既可滿足數(shù)值確定的要求，還能減少測(cè)量成本的投入。

6 結(jié)語(yǔ)

電力變壓器是目前我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)中的主要電力設(shè)施，變壓器的損耗主要包括了空載損耗和負(fù)載損耗兩種。本文通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)變壓器制造行業(yè)的現(xiàn)狀分析以及對(duì)空載損耗和負(fù)載損耗兩種損耗的主要參數(shù)分析研究，提出了從降低控制初始成本和降低損耗等方法對(duì)電力變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足人們追求低損耗、高性能的變壓器的要求。本文雖經(jīng)過(guò)查閱大量資料對(duì)變壓器的損耗以及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究，但是這一焦點(diǎn)問(wèn)題還值得進(jìn)一步的深入研究分析。

[1]朱英浩.不斷提高變壓器的運(yùn)行可靠性[J].變壓器，2012，3：173～174.

[2]路長(zhǎng)柏，朱英浩，等.電力變壓器計(jì)算[J].黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，2012，7：142～143.

[3]謝琉城.《電力變壓器手冊(cè)》[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013，9：94～95.

[4]李湘生，陳天喬.變壓器理論計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].武漢：華中工學(xué)院出版社，2013，12：48～60.

TM41

A

1004-7344（2016）18-0243-02

2016-5-10

曾清林（1986-），男，本科，主要從事配電變壓器設(shè)計(jì)工作。