炼铝企业变压器节能分析与评估

2015-05-30吴子成姚艳

科技创新导报 2015年31期

吴子成　姚艳

摘要：针对炼铝企业变压器节能降损的问题，该文从理论上研究分析了基波损耗和谐波损耗的产生机理，并在PSCAD/EMTDC中搭建了炼铝企业的整流模型。主要针对有载调压变压器和整流变压器的损耗情况进行仿真计算，根据结果定量或定性地分析了基波损耗源和谐波损耗源。根据对炼铝变压器节能潜力的分析与评估，该文提出了一系列可降低基波损耗和谐波损耗的方案。利用整流模型对方案进行仿真，结果表明，变压器的损耗有明显降低，可提高经济效益。

关键词：炼铝企业变压器节能谐波

中图分类号：TQl75.6 文献标志码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0089-02

1 基波损耗

1.1 基波铜耗

变压器在运行时，绕组内通过电流，会产生铜损，除基本绕组直流损耗外，还包括附加损耗。基本铜损耗是线圈的直流电阻所引起的损耗；而附加铜损耗则包括由于漏磁场引起的集肤效应使导线有效电阻变大而增加的铜损耗，多根导线并绕时的内部环流损耗，以及电磁场的结构件、油箱壁等处引起的涡流损耗、环流损耗和杂散损耗。它们是引起变压器铁心发热的重要因素。

在测量方面，杂散损耗总是与其他损耗成分混合在一起，因而，很难直接测量杂散损耗，也难于准确将构件上的损耗从总损耗中分离开，显然，更不可能通过测量了解杂散损耗的详细分布，无法把总损耗中每一部件的损耗分离开。

1.2 基波铁耗

铁耗是指发生在铁心中的损耗，铁心被外加励磁磁化，在磁化过程中产生了能量损耗。它导致变压器和电机效率降低，铁心温度升高，从而限制了出力的提高。铁耗包括铁芯材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗几部分。

（12）

3 仿真计算

3.1 炼铝系统仿真模型

某铝厂整流所供电系统正常运行时有6台整流机组投入运行。每个机组有1台调压变压器、3台移相变压器和2台整流变压器，每台整流变压器接两个反并联整流桥，6台机组网侧分别移相±12.5°、±7.5°±2.5°，每台机组之间移相5°，意味着每隔5°就有一个桥臂的整流元件切换导通，因此6台运行时输出72脉动的直流电流。整流单元为等值12脉波整流电路。对于整流变单机组±2.5°、±7.5°、±12.5°的移相要求，可以通过更改单相变压器变比，即改变二次侧线电压大小，从而改变移相角度。

3.2 损耗计算

利用变压器空载试验和短路试验的原理，得到有载调压变压器和整流变压器的绕组电阻参数，如表1所示。

根据公式（9）即可得出两种变压器的谐波绕组电阻参数。

由仿真数据得出有载调压变压器和整流变压器两侧绕组的各次电流值，考虑到计算的方便性，高于15次的且小于1A的谐波电流均忽略不计，这里不做出一一例举。

计算得变压器的基波损耗如表2所示，谐波损耗[6-7]如表3所示。

根据仿真结果可见，由于谐波的注入大大增加了变压器的损耗。

4 节能分析与评估

4.1 损耗源分析

变压器的基波损耗包含两部分，铜耗和铁耗。

基波铜耗与变压器两侧绕组电阻有关，减小铜耗绕组可降低其基波铜耗。绕组涡流损耗与导线厚度、漏磁密峰值、电阻率、绕组匝数和高度有关，减小它们的值均可降低绕组涡流损耗。而引线损耗和杂散损耗与变压器的结构和材料有关。

基波铁耗由基波磁滞损耗、基波涡流损耗和附加铁损决定。基波磁滞损耗与铁心材料和尺寸有关。基波涡流损耗不仅与铁心材料和尺寸有关，还与叠片厚度有关。而附加铁损主要与变压器的结构及生产工艺等有关。

铝厂的谐波源通常为[8]：

（1）变压器：分为有载调压变压器、移相变压器和整流变压器。

（2）整流装置：铝厂整流系统由整流机组组成，会生多种高次特征谐波与非特征谐波。

（3）非线性负荷：铝厂内部除线性负荷外，还包括变频装置等大量非线性负荷，如轧机、电动机车等电动机变频调速设备。其产生的谐波情况非常复杂。

（4）背景谐波：背景谐波一方面来自220 kV供电网的谐波电压的渗透，另一方面来自整流供电网内部其它谐波源，如发电机升压变压器产生的励磁谐波电流；由于电网元件参数不完全对称引起负序电流，在其发电机组内产生逆向旋转磁场，也可能产生一部分谐波电流。

4.2 节能评估

降低炼铝变压器的基波损耗可从变压器的结构、材料和经济运行等方面进行研究分析：如开发新型低损耗变压器，尤其是非晶合金变压器[9]，以及开展变压器的经济运行等。

由上述仿真数据可知，变压器两侧绕组上5、7和11次谐波电流较大，因此其谐波损耗的节能潜力很大。

由仿真数据得出，加入无源滤波器后变压器谐波损耗的降低情况如表4所示，可见谐波降损的节能潜力巨大。

4.3 降损措施

降低铜耗的主要途径是选用电阻率较低的导线材料，另外通过提高变压器保护水平，适当降低阻抗电压也可以减少电阻损耗。而降低附加铜耗就要降低漏磁场强度等。降低铁耗的主要途径是选用导磁率高和厚度薄的电工钢片，还应改进铁心叠片夹紧方式以及铁心和绝缘结构来提高铁心填充系数，尽可能缩小铁心尺寸等[10]。降低变压器的谐波损耗，可采取抑制谐波的措施减小谐波电流，从而降低谐波损耗：多相整流技术、无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器等[11]。

5 结语

论文为了研究分析炼铝企业变压器的节能问题，通过对损耗的理论分析，并利用PSCAD建立电解铝系统的仿真模型，结合变压器的节能潜力，研究得出炼铝变压器的基波损耗主要与变压器本身的特性有关，而谐波损耗则是由于炼铝系统中大量谐波电流导致的，并进一步提出了降损方案：炼铝变压器的基波降损可通过改善变压器的结构、材料和制作工艺等方面来实现，而谐波降损可通过抑制炼铝系统的谐波，采取加无源滤波器等措施来实现。

参考文献

[1] 黄伟，牛铭，王斐，等.超导电缆应用于铝厂节能的可靠性分析[J].现代电力，2010（3）：25-30.

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[4] 李建英，罗隆福，许加柱，等.采用谐波抑制整流变压器的新型工业整流系统[J].高电压技术，2012，37（12）：3164-3170.

[5] 刘成君，杨仁刚.变压器谐波损耗的计算与分析[J].电力系统保护与控制，2008（13）：33-36，42.

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[9] 郑元宇.电力变压器的节能分析[J].引进与咨询，2005（8）：

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[10] 牟香荣.浅谈变压器的损耗及其效率[J].通用机械，2013