电力电子变压器中高频变压器损耗分析与设计

闫超超

摘 要 随着人们对生态环保重视程度的日益提高，电力系统应该紧跟时代发展的脚步，加大节能降耗技术研究和应用的力度，才能在有效降低企业生产成本的基础上，保持企业长期可持续发展。基于此， 本文主要分析了电力电子变压器中高频变压器损耗分析与设计。

关键词 高频变压器;分析;优化设计

引言

能源消耗带来的危害巨大，不仅是对地球资源的浪费，也会对环境造成难以修复的伤害。因此，尽管电厂电气设备能源消耗问题不可避免，但是我们仍然可以通过不断测试找到浪费的根源，进而研究实施对策，减少能源的消耗。虽然目前我国的电厂电气节能减耗问题有待解决，但相信经过我们的不懈努力，在未来一定能够达到对电气节能减耗的目的。

1概述

随着工作频率和功率密度的提高，高频变压器的损耗和温升问题逐渐明显。变压器损耗主要分为绕组损耗和磁芯损耗。随着工作频率的提高，绕组集肤效应与邻近效应所带来的涡流损耗问题已经成为高频变压器研究与设计的热点之一。考虑到高压大功率场合对绕组载流能力与散热的要求，铜箔成为大容量高频磁元件的首选导体类型。高频绕组损耗模型的建立目前主要基于Dowell 在1966 年提出的一维电磁场解析计算模型。由于采用铜箔绕组的变压器窗口磁场基本呈现平行于绕组层的一维分布，满足Dowell 模型的假设条件，因此在大多数场合都能得到较准确结果。除了绕组损耗外，磁芯损耗的大小也限制着变压器功率密度与效率的进一步提升。斯坦麦斯方程（SE）是计算正弦激励下磁芯损耗最常用的经验公式，借助损耗测量数据或磁芯厂家提供的图表等，可以拟合出适用于特定磁芯的损耗计算参数，代入SE 中便得到该磁芯的损耗。此外，还有许多基于SE 的改进模型被用来计算方波等非正弦激励下的磁芯损耗[1]。

2降低电力变压器损耗的重要性

现阶段，大型变压器运行的低效高耗能问題会比较严重，且其问题频繁的发生，其在电力输电系统当中所产生的阻碍性效果会比较强，会拉低总体设备运行的经济性。产生这一问题的主要原因就是工作人员没有正确的理解变压器的利用率，导致其产生了误区性的问题，并不会利用时间以及公式去精确地计算各类参数，随意性地应用各类规格的设备。其会认为变压器利用率数值会和变压器的损耗呈反比的关系，会用其设备的利用率来评断其设备的经济运行有效状态。一台变压器可以承担的负载不能使用两台设备，若其容量比较小的变压器可以承担该负载，那么，就需要使用大容量的变压器，这种错误性的认知会直接影响变压器经济的良好运行，同时，还会产生较严重的电能浪费等的问题。虽然电力变压器的运行效率较高，但是，其在数量以及容量层面的影响下，使得其总能耗数值比较高。对此，要不断地提升大型电力变压器的运行效率，不断地减小其设备的自身能耗，增强各类资源的使用价值以及效益[2]。

3电力变压器损耗分析

随着电力企业的降损增效意识的不断增强，电力网电能损耗的计算和分析工作越来越受到重视。变电站作为电力网的重要组成部分，其经济运行水平直接关系到电网企业的经济效益。而在变电站的主要设备中，变压器在运行过程中产生的电能损耗非常大，可占全站总损耗的30%以上。因此，研究变电站的经济运行时，变压器的损耗与经济运行是研究的一项重点内容。同时，目前变电站损耗管控仅局限于计量数据的简单统计，无法及时准确地掌握各部分的损耗信息，且缺乏智能降耗的手段。研究变电站变压器的损耗计算与节能降耗，是变电站损耗监测与智能降耗的前提条件，是建设现代化智能变电站的必要内容。对于运行中的变电站，变压器的损耗与变电站变压器配置情况、变压器类型以及运行方式有关。研究变电站中变压器节能降耗，首先需要明确变电站主接线情况，分析变压器的各种运行方式，计算当前运行方式下的损耗信息，同时通过计算、分析，评估损耗最小的、最经济的运行方式[3]。

4降低电力变压器损耗的优化设计措施

（1）合理布局配电变压器。首先，需要设定好10kV 电力变压器的位置点，之后，要以其位置对方案进行优化以及调整，就其优化的结果分析和探究，设定好35kV 及更高电压的配电变压器位置。但是，其设备在实际运行时期，负荷的不稳定性会比较强，因此，在开展设计工作时期，要综合性地分析这类不确定的因素，将其因素考虑其中，不断地提升电力运行的安全可靠程度，最大限度地降低故障的发生概率，保障其分布的合理性，同时，提高其总体的电力使用率。

（2）合理配置电网的补偿装置。首先，需要增设无功补偿的设备，使得其功率的因数变得更高。在电网线路中，其所安装的电容器要和其相匹配，这样可以让电网内的无功补偿能力变得更强。电容器具有充放电两类基础的性能，让电网线路的无功功率补偿的能力变得更强，提升其功率因数，减小其设备以及线路输送电力时期的损耗，提升其供电的效率以及质量。其次，需要合理化地分布无功功率，将其重心放置到该层面，不断地减小发电机以及电网的供电效率，保障其配置的合理性，控制好无功功率的运输距离，另外，还需要精确地计算其他方式的损耗，并做好相应的补偿工作。

（3）采用新型低阻导线及线圈。目前已开展使用的高温超导配电变压器，采用超导材质的导线替代传统的铜芯导线，除了降低变压器的损耗外，还间接提高了变压器抵抗短路电流的能力。同时，还要采用新型绕组结构和采用新型线圈布置方式这两种新的结构布置形式。新型绕组结构可采用自粘型换位导线来控制漏磁走向，减小变压器绕组的损耗;新型线圈布置方式可根据涡流的方向，合理选用纵向或横向线圈布置形式，控制涡流损耗以降至最小，进而减小变压器的运行损耗。

5结束语

综上所述，为确保配电变压器处于经济运行状态，要尽量保持在最佳负载系数附近工作;选择容量经济的配电变压器;尽可能在经济运行区内工作，尤其是在最佳运行区内工作;从制造、更新和技术方面优化配电变压器。

参考文献

[1] 王超，丁向荣.配电变压器经济运行方式与控制实现的研究[J].煤矿机械，2013，34（10）：202-204.

[2] 涂春鸣，黄红，兰征，等.微电网中电力电子变压器与储能的协调控制策略[J].电工技术学报，2019，34（12）：2627-2636.

[3] 李子欣，高范强，赵聪，等.电力电子变压器技术研究综述[J].中国电机工程学报，2018，38（5）：1274-1289.