節(jié)能技術(shù)在電力變壓器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉興盛

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù);電力變壓器;設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國所有變壓器自身耗能占發(fā)電總量的3%～10%，存在很大的節(jié)能空間和節(jié)能潛力。為此，電力系統(tǒng)要著眼于節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和利用，在保證運(yùn)行質(zhì)量的前提下不斷提升電力變壓器的節(jié)能效果。為此，文章以配電變壓器為研究對(duì)象，闡述了節(jié)能技術(shù)的基本應(yīng)用思路，從不同節(jié)能角度分析了大型電力變壓器的設(shè)計(jì)途徑。

一、配電變壓器相關(guān)理論概述

（一）配電變壓器工作原理分析

配電變壓器屬于電力變壓器的一個(gè)類別，以電磁感應(yīng)為工作原理，相關(guān)示意圖如下圖所示，其中兩邊為是高壓繞組和低壓繞組，連接電源的為原繞組，副繞組則連接負(fù)載。原繞組的匝數(shù)為WI，副繞組的匝數(shù)為Wz，且兩繞組之間不存在電的聯(lián)系，僅存在磁的耦合。

通過上圖可以發(fā)現(xiàn)，正是由于配電變壓器在工作的過程中存在著電磁感應(yīng)的原理，也就是指通過電感來生磁，而磁感生出電的現(xiàn)象，當(dāng)接通繞組1與交變電壓時(shí)就會(huì)產(chǎn)生突變的電流，同時(shí)在這個(gè)過程中鐵心當(dāng)中，流過的電流就會(huì)與電源電壓的同頻產(chǎn)生交變磁通。而配電變壓器當(dāng)中不同電壓等級(jí)的電能傳遞，就是通過繞組電壓同頻產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，與組2當(dāng)中產(chǎn)生同頻的感應(yīng)電視共同配合之下產(chǎn)生的交流電。

（二）配電變壓器損耗情況分析

影響配電變壓器損耗的情況主要有兩個(gè)方面，其一是有功損耗，其二則是無功損耗。在配電變壓器實(shí)際的經(jīng)營運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生的損耗就被稱為有功損耗，具體的可以將其更加細(xì)致地分為銅損和鐵損兩個(gè)方面。具體的表現(xiàn)則為配電變壓器發(fā)生鐵芯發(fā)熱的情況，這種功能的損耗大多都是以熱能的形式來散發(fā)，如果嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)配電變壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)造成一定的影響，如果在將鐵損進(jìn)行細(xì)致的分析，那么鐵損又包括了當(dāng)中的磁滯損耗和渦流損耗兩大方面。渦流損耗是指配電背壓器在具體的工作過程中，由于自身的磁力線存在于鐵芯當(dāng)中，所以觸發(fā)了對(duì)于配電變壓器當(dāng)中的電磁感應(yīng)原理，從而使得電流在線圈當(dāng)中會(huì)形成一個(gè)閉合的回路，從而產(chǎn)生渦流狀旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，由于配電變壓器當(dāng)中的鐵芯會(huì)產(chǎn)生渦流流動(dòng)，那么就會(huì)使得配電變壓器當(dāng)中的鐵芯散發(fā)出一定的熱量，從而消耗配電變壓器的能量，這部分的能量消耗就被稱之為渦流損耗。對(duì)于配電變壓器當(dāng)中的磁滯損耗來說，就是指在交流的電流通過時(shí)，通過配電變壓器當(dāng)中剛片的磁力線大小與方向呈現(xiàn)出有規(guī)律性的變化，之后就會(huì)發(fā)生互相的摩擦，進(jìn)而使得配電變壓器產(chǎn)生熱能，將這部分的熱能損耗稱之為磁質(zhì)的損耗。銅損在配電變壓器中的損失不太常見，主要是指配電變壓器在線圈電阻中所產(chǎn)生的損耗，具體的表現(xiàn)為配電變壓器當(dāng)中的電流通過線圈電阻時(shí)，會(huì)因?yàn)樯l(fā)熱量而產(chǎn)生的能量，這個(gè)過程都會(huì)使得一部分的電能轉(zhuǎn)化為熱能，隨即被消耗。

對(duì)于配電變壓器來講，產(chǎn)生于變壓和能量傳遞之中的損耗就被稱為無功損耗，這個(gè)過程是由于配電變壓器不存在實(shí)際的有功功率。配電變壓器當(dāng)中的無功損耗也分為兩部分的內(nèi)容，第一，配電變壓器自身的電流可能會(huì)與負(fù)載電流產(chǎn)生一定的聯(lián)系，從而構(gòu)成非恒定損耗。并且，配電變壓器當(dāng)中所負(fù)載的電流如果較大的話，那么它產(chǎn)生的損耗也就會(huì)越大。另一部分，因?yàn)榕潆娮儔浩魇墙⒃谂c主磁路聯(lián)通的電流，隨即產(chǎn)生的恒定損耗，與配電變壓器當(dāng)中的負(fù)載電流沒有直接的聯(lián)系。在相關(guān)的工作人員設(shè)計(jì)配電變壓器時(shí)，并不需要考慮特別大的容量，只需要將容量的設(shè)計(jì)，符合實(shí)際的無功損耗即可。

二、配電變壓器應(yīng)用節(jié)能技術(shù)的思路

（一）采用新型材料和工藝降低損耗

措施一：更換全新的導(dǎo)線。對(duì)于配電變壓器來講，在對(duì)其進(jìn)行線路設(shè)計(jì)的過程中可以應(yīng)用起無氧銅，將無氧銅應(yīng)用為導(dǎo)向的材料，它的優(yōu)點(diǎn)可以幫助配電變壓器實(shí)現(xiàn)降低線圈內(nèi)阻的情況，通過采取這種方式，配電變壓器當(dāng)中的鐵損和銅損就會(huì)降低，以此來幫助配電變壓器實(shí)現(xiàn)節(jié)約損耗的情況。目前已經(jīng)投入使用的高溫超導(dǎo)配電壓器已經(jīng)采用了超導(dǎo)線材，提高了配電背壓器靠短路的性能，并且也幫助其實(shí)現(xiàn)了降低損耗的效果。

措施二：優(yōu)化配電變壓器的磁體材料。配電變壓器要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能，降低運(yùn)行損耗，那么就必須要對(duì)配電變壓器當(dāng)中的磁鐵材料進(jìn)行升級(jí)。近年來，配電變壓器開始應(yīng)用非晶合金的材料，以來幫助配電變壓器實(shí)現(xiàn)消磁的功能，并且取得了可靠的效果。

措施三：改進(jìn)制造工藝。如果從配電變壓器的制造工藝上人手，也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降損的目的。比如：當(dāng)前普遍使用的數(shù)控加工系統(tǒng)多由計(jì)算機(jī)控制，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)變壓器內(nèi)部的硅鋼片進(jìn)行加工，可以通過精確控制硅鋼片的厚度、界面形狀等參數(shù)，這就極大地降低了配電變壓器運(yùn)行中的空載損耗，據(jù)相關(guān)資料顯示，目前的硅鋼片加工精度已達(dá)到0.18mm。

措施四：布置新結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究目前主要著眼于兩個(gè)方面，一個(gè)是采用新型繞組結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是采用新型線圈布置方式。前者是考慮到傳統(tǒng)繞組結(jié)構(gòu)抗諧波干擾能力較差且損耗過大，可以根據(jù)配電變壓器自身不同的等級(jí)來選擇不同的繞組結(jié)構(gòu)。舉例來講，通過采用自粘型的換位導(dǎo)線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電變壓器漏磁斗象的全方面控制，從而幫助配電變壓器減少繞組可能產(chǎn)生的損耗，這樣一來，既可以提升配電變壓器自身的效益，又可以確保運(yùn)行安全。相對(duì)于前者來講，后者主要是以渦流的流向?yàn)榛鶞?zhǔn)，然后選取橫向的方式或者縱向的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電變壓器當(dāng)中線圈的布置，以此來降低配電變壓器運(yùn)行當(dāng)中的損耗程度。

（二）改善經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，提高節(jié)能水平

在配電變壓器的實(shí)施過程中，要改善經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式，那么就必須要重視起配電變壓器的材料以及工藝的選擇。相對(duì)于原先傳統(tǒng)的變壓器來講，通過采取無功補(bǔ)償?shù)姆绞?，可以幫助配電變壓器?shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。而配電變壓器實(shí)施無功補(bǔ)償?shù)穆窂街饕ㄒ韵聨讉€(gè)方面的內(nèi)容，第一是無功電壓器的集中補(bǔ)償，也就是將配電變壓器當(dāng)中的并聯(lián)電容器安裝到高低壓配電線路當(dāng)中。第二則是配電變壓器的分組補(bǔ)償，所謂的分組補(bǔ)償，就是將配電變壓器當(dāng)中的并聯(lián)補(bǔ)償電容器安裝到配電變壓器，低壓側(cè)和用戶車間的配電屏當(dāng)中。通過采取以上幾種方式，可以更好地提高配電變壓器的節(jié)能水平，增強(qiáng)配電變壓器的輸送功率。

三、節(jié)能技術(shù)在大型電力變壓器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

長時(shí)間高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)加劇了變壓器設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件的磨損，為了提高設(shè)備的運(yùn)行效率，可以從以下四個(gè)方面采取相應(yīng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

（一）基于降噪技術(shù)的電力變壓器設(shè)計(jì)

分析電力變壓器裝置構(gòu)造可知，噪音的構(gòu)成主要有機(jī)械噪音和冷卻噪音兩部分。機(jī)械噪音來源于設(shè)備內(nèi)部鋼片與設(shè)備框架發(fā)生共振所形成的，比如變壓器運(yùn)行中，對(duì)內(nèi)部鋼片產(chǎn)生的磁力影響使得承接鋼片固定的墊腳機(jī)構(gòu)產(chǎn)生震動(dòng)傳輸力，這股力量經(jīng)由不同介質(zhì)傳播至物體中形成噪音。冷卻噪音則來源于承接系統(tǒng)部件降溫的風(fēng)扇機(jī)構(gòu)或冷卻機(jī)構(gòu)發(fā)生震動(dòng)所形成的，這一震動(dòng)頻率所導(dǎo)致的噪音污染超出了固有的基頻值，繼而引發(fā)設(shè)備無規(guī)則或周期性震動(dòng)的現(xiàn)象。結(jié)合以上兩點(diǎn)分析，運(yùn)用節(jié)能降噪技術(shù)設(shè)計(jì)電力變壓器時(shí)，可從這幾個(gè)角度出發(fā)：第一，調(diào)換變壓器內(nèi)部原有的鋼片結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)介質(zhì)部件的密度，從而降低裝置所受到的電磁影響?？墒褂镁邆鋵?dǎo)磁特性的材料，使得變壓器內(nèi)部構(gòu)件在受到電磁作用時(shí)，由于材料的伸縮系數(shù)大幅降低，則部件的穩(wěn)定效果得以提升，有效規(guī)避了共振現(xiàn)象;第二，優(yōu)化變壓器裝置中的電磁結(jié)構(gòu)，通過縱向壓縮鐵芯結(jié)構(gòu)體積，實(shí)現(xiàn)鐵芯發(fā)出頻率與系統(tǒng)噪音之間的隔離。另外也可以改變變壓器內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的磁通密度，通過提高部件的磁密寬度閥值，確保導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在頻率影響下具有較高的容量值;第三，隔離變壓器裝置內(nèi)部存在導(dǎo)振的部件，通過將噪音傳染源切除的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)噪音傳播的阻攔?？稍谧儔浩餮b置內(nèi)的鐵芯、鋼板、鋼制箱體等關(guān)鍵部位增加橡膠墊片，提升整個(gè)裝置的抗震性能。除此之外，也可以先確定變壓器內(nèi)各機(jī)械構(gòu)件的位置，準(zhǔn)確分析出不同噪音源在傳播時(shí)的浮動(dòng)系數(shù)，再選取優(yōu)先阻尼點(diǎn)并進(jìn)行降噪處理，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

（二）基于降損技術(shù)的電力變壓器設(shè)計(jì)

大型電力變壓器在實(shí)際運(yùn)行中所產(chǎn)生的損耗會(huì)因運(yùn)行工況的不同而表現(xiàn)出一定的差異性，但總體而言，多是由設(shè)備本體運(yùn)行工序的不規(guī)范造成的，比如機(jī)械部件的損耗影響、構(gòu)件布局影響以及電磁影響等。因此，從降損角度進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，主要聚焦空載和負(fù)載兩種運(yùn)行工況即可。

對(duì)于配電變壓器來講，要想其在空載工況的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能損耗，那么就必須要改變配電變壓器的連接設(shè)置。第一，可以將配電變壓器當(dāng)中的鐵芯連接形式進(jìn)行更改，確保配電變壓器當(dāng)中的鐵芯介質(zhì)所產(chǎn)生的導(dǎo)磁方向與鐵芯連接的方向的一致，通過這種方法，可以幫助配電變壓器降低在電能運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的電能反向損耗。第二，可以將配電變壓器當(dāng)中連接的對(duì)接角度90°改變?yōu)楝F(xiàn)在的45°，通過調(diào)整角度也可以幫助配電變壓器節(jié)省損耗。第三，通過對(duì)配電變壓器采取五級(jí)接法連接鐵芯的焊縫處，來進(jìn)行降低損耗。通過采取這種方式可以幫助配電變壓器提高內(nèi)部不同組件的熔接聯(lián)合程度，幫助配電變壓器實(shí)現(xiàn)最低的能耗損失。第四，對(duì)于配電變壓器的加緊方式可以改變傳統(tǒng)的閉合加緊方法，采取選擇扎帶法來對(duì)配電變壓器當(dāng)中的組件實(shí)施捆綁，以此來幫助配電變壓器減少由于擊穿問題而產(chǎn)生的配電變壓器變形的情況。在這個(gè)過程中需要注意，對(duì)于配電變壓器的磁通密度選擇要考慮好實(shí)際的經(jīng)濟(jì)成本，確保配電變壓器在空載工況的情況下選擇損耗率和磁密之間的關(guān)系，以此來幫助進(jìn)一步的降低配電變壓器的磁密造成的耗能損失。第五，就是要確保配電變壓器在運(yùn)行過程中，內(nèi)部的組件設(shè)備完整性，防止由于配電變壓器內(nèi)部組件不完整而產(chǎn)生的刮蹭現(xiàn)象。

（三）基于溫控技術(shù)的電力變壓器設(shè)計(jì)

大型電力變壓器在長時(shí)間工作后，其內(nèi)部組件必然會(huì)急劇升溫，一旦溫度超過系統(tǒng)極限值，整個(gè)裝置的壽命損耗率將嚴(yán)重加劇。通過降低溫度使裝置內(nèi)系統(tǒng)溫度變化值滿足實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)的方法，無疑是提高變壓器使用壽命的有效手段。具體而言，可以從繞組的熱驅(qū)特性入手控制溫度提升點(diǎn)，此過程需要采用“六度原則”，對(duì)當(dāng)前設(shè)備進(jìn)行模擬仿真，使變壓器裝置運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化值精準(zhǔn)映射出來，由此計(jì)算出不同狀態(tài)下系統(tǒng)溫度與構(gòu)件磨損度之間的線性關(guān)系，再制定與之相匹配的解決措施。除此之外，也可以從外部降溫人手，通過對(duì)繞組構(gòu)件的熱源產(chǎn)生點(diǎn)進(jìn)行物理降溫，使燃組構(gòu)件的運(yùn)行處于安全范圍，從而提升設(shè)備的實(shí)際使用壽命。這一過程中，應(yīng)充分考慮構(gòu)件在裝置中的格局分布情況，靈活采用物理降溫、磁屏蔽技術(shù)等，解決因磁通現(xiàn)象所產(chǎn)生的局部發(fā)熱問題。

（四）基于油替技術(shù)的電力變壓器設(shè)計(jì)

對(duì)于配電變壓器來講，通過采用油替技術(shù)可以幫助其實(shí)現(xiàn)絕緣，以此來達(dá)到安全使用的目的。根據(jù)我國目前配電變壓器使用的基本標(biāo)準(zhǔn)來看，對(duì)于配電變壓器的絕緣類介質(zhì)燃點(diǎn)都在340℃左右，在這種級(jí)別下，配電變壓器發(fā)生事故的概率最低。油替技術(shù)之所以具備這種特質(zhì)，是因?yàn)橛蜌饧夹g(shù)有極高的生物降解率，都是在25天內(nèi)可以完成95%的降解，并且這種物質(zhì)與礦類物質(zhì)相比產(chǎn)生的污染物更小。除此之外，這種技術(shù)可以對(duì)于配電變壓器當(dāng)中的電感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行干預(yù)，使得配電變壓器的交流電場(chǎng)呈現(xiàn)出均衡分布的情況。通過大量的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)這些油替技術(shù)的穩(wěn)定性比較好，可以有效地幫助配電變壓器降低損耗。在配電變壓器的具體工作過程中，需要結(jié)合不同的工作角度分析配電變壓器不同的工作狀態(tài)，以此來幫助選擇最為合適的油替技術(shù)。

四、結(jié)語

無論是社會(huì)發(fā)展的需求還是環(huán)保理念的普及，都迫使電力變壓器的設(shè)計(jì)趨向于節(jié)能化發(fā)展。電力變壓器的設(shè)計(jì)需要著重于節(jié)能環(huán)保的理念，不斷地優(yōu)化功能的設(shè)計(jì)，從而更好地推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。