节能技术在电力变压器设计中的应用

刘兴盛

关键词：节能技术;电力变压器;设计

根据相关数据显示，当前我国所有变压器自身耗能占发电总量的3%～10%，存在很大的节能空间和节能潜力。为此，电力系统要着眼于节能技术的开发和利用，在保证运行质量的前提下不断提升电力变压器的节能效果。为此，文章以配电变压器为研究对象，阐述了节能技术的基本应用思路，从不同节能角度分析了大型电力变压器的设计途径。

一、配电变压器相关理论概述

（一）配电变压器工作原理分析

配电变压器属于电力变压器的一个类别，以电磁感应为工作原理，相关示意图如下图所示，其中两边为是高压绕组和低压绕组，连接电源的为原绕组，副绕组则连接负载。原绕组的匝数为WI，副绕组的匝数为Wz，且两绕组之间不存在电的联系，仅存在磁的耦合。

通过上图可以发现，正是由于配电变压器在工作的过程中存在着电磁感应的原理，也就是指通过电感来生磁，而磁感生出电的现象，当接通绕组1与交变电压时就会产生突变的电流，同时在这个过程中铁心当中，流过的电流就会与电源电压的同频产生交变磁通。而配电变压器当中不同电压等级的电能传递，就是通过绕组电压同频产生的感应电势，与组2当中产生同频的感应电视共同配合之下产生的交流电。

（二）配电变压器损耗情况分析

影响配电变压器损耗的情况主要有两个方面，其一是有功损耗，其二则是无功损耗。在配电变压器实际的经营运转过程中，产生的损耗就被称为有功损耗，具体的可以将其更加细致地分为铜损和铁损两个方面。具体的表现则为配电变压器发生铁芯发热的情况，这种功能的损耗大多都是以热能的形式来散发，如果严重的还会对配电变压器的运转造成一定的影响，如果在将铁损进行细致的分析，那么铁损又包括了当中的磁滞损耗和涡流损耗两大方面。涡流损耗是指配电背压器在具体的工作过程中，由于自身的磁力线存在于铁芯当中，所以触发了对于配电变压器当中的电磁感应原理，从而使得电流在线圈当中会形成一个闭合的回路，从而产生涡流状旋转。与此同时，由于配电变压器当中的铁芯会产生涡流流动，那么就会使得配电变压器当中的铁芯散发出一定的热量，从而消耗配电变压器的能量，这部分的能量消耗就被称之为涡流损耗。对于配电变压器当中的磁滞损耗来说，就是指在交流的电流通过时，通过配电变压器当中刚片的磁力线大小与方向呈现出有规律性的变化，之后就会发生互相的摩擦，进而使得配电变压器产生热能，将这部分的热能损耗称之为磁质的损耗。铜损在配电变压器中的损失不太常见，主要是指配电变压器在线圈电阻中所产生的损耗，具体的表现为配电变压器当中的电流通过线圈电阻时，会因为散发热量而产生的能量，这个过程都会使得一部分的电能转化为热能，随即被消耗。

对于配电变压器来讲，产生于变压和能量传递之中的损耗就被称为无功损耗，这个过程是由于配电变压器不存在实际的有功功率。配电变压器当中的无功损耗也分为两部分的内容，第一，配电变压器自身的电流可能会与负载电流产生一定的联系，从而构成非恒定损耗。并且，配电变压器当中所负载的电流如果较大的话，那么它产生的损耗也就会越大。另一部分，因为配电变压器是建立在与主磁路联通的电流，随即产生的恒定损耗，与配电变压器当中的负载电流没有直接的联系。在相关的工作人员设计配电变压器时，并不需要考虑特别大的容量，只需要将容量的设计，符合实际的无功损耗即可。

二、配电变压器应用节能技术的思路

（一）采用新型材料和工艺降低损耗

措施一：更换全新的导线。对于配电变压器来讲，在对其进行线路设计的过程中可以应用起无氧铜，将无氧铜应用为导向的材料，它的优点可以帮助配电变压器实现降低线圈内阻的情况，通过采取这种方式，配电变压器当中的铁损和铜损就会降低，以此来帮助配电变压器实现节约损耗的情况。目前已经投入使用的高温超导配电压器已经采用了超导线材，提高了配电背压器靠短路的性能，并且也帮助其实现了降低损耗的效果。

措施二：優化配电变压器的磁体材料。配电变压器要想实现节能，降低运行损耗，那么就必须要对配电变压器当中的磁铁材料进行升级。近年来，配电变压器开始应用非晶合金的材料，以来帮助配电变压器实现消磁的功能，并且取得了可靠的效果。

措施三：改进制造工艺。如果从配电变压器的制造工艺上人手，也能够实现节能降损的目的。比如：当前普遍使用的数控加工系统多由计算机控制，便于设计人员对变压器内部的硅钢片进行加工，可以通过精确控制硅钢片的厚度、界面形状等参数，这就极大地降低了配电变压器运行中的空载损耗，据相关资料显示，目前的硅钢片加工精度已达到0.18mm。

措施四：布置新结构。相关研究目前主要着眼于两个方面，一个是采用新型绕组结构，另一个是采用新型线圈布置方式。前者是考虑到传统绕组结构抗谐波干扰能力较差且损耗过大，可以根据配电变压器自身不同的等级来选择不同的绕组结构。举例来讲，通过采用自粘型的换位导线，可以实现对配电变压器漏磁斗象的全方面控制，从而帮助配电变压器减少绕组可能产生的损耗，这样一来，既可以提升配电变压器自身的效益，又可以确保运行安全。相对于前者来讲，后者主要是以涡流的流向为基准，然后选取横向的方式或者纵向的方式，实现对配电变压器当中线圈的布置，以此来降低配电变压器运行当中的损耗程度。

（二）改善经济运行方式，提高节能水平

在配电变压器的实施过程中，要改善经济运行的方式，那么就必须要重视起配电变压器的材料以及工艺的选择。相对于原先传统的变压器来讲，通过采取无功补偿的方式，可以帮助配电变压器实现节能的目的。而配电变压器实施无功补偿的路径主要包括以下几个方面的内容，第一是无功电压器的集中补偿，也就是将配电变压器当中的并联电容器安装到高低压配电线路当中。第二则是配电变压器的分组补偿，所谓的分组补偿，就是将配电变压器当中的并联补偿电容器安装到配电变压器，低压侧和用户车间的配电屏当中。通过采取以上几种方式，可以更好地提高配电变压器的节能水平，增强配电变压器的输送功率。

三、节能技术在大型电力变压器设计中的应用

长时间高负荷的运转加剧了变压器设备内部构件的磨损，为了提高设备的运行效率，可以从以下四个方面采取相应的技术实现节能目的。

（一）基于降噪技术的电力变压器设计

分析电力变压器装置构造可知，噪音的构成主要有机械噪音和冷却噪音两部分。机械噪音来源于设备内部钢片与设备框架发生共振所形成的，比如变压器运行中，对内部钢片产生的磁力影响使得承接钢片固定的垫脚机构产生震动传输力，这股力量经由不同介质传播至物体中形成噪音。冷却噪音则来源于承接系统部件降温的风扇机构或冷却机构发生震动所形成的，这一震动频率所导致的噪音污染超出了固有的基频值，继而引发设备无规则或周期性震动的现象。结合以上两点分析，运用节能降噪技术设计电力变压器时，可从这几个角度出发：第一，调换变压器内部原有的钢片结构，增强介质部件的密度，从而降低装置所受到的电磁影响。可使用具备导磁特性的材料，使得变压器内部构件在受到电磁作用时，由于材料的伸缩系数大幅降低，则部件的稳定效果得以提升，有效规避了共振现象;第二，优化变压器装置中的电磁结构，通过纵向压缩铁芯结构体积，实现铁芯发出频率与系统噪音之间的隔离。另外也可以改变变压器内部导体结构的磁通密度，通过提高部件的磁密宽度阀值，确保导体结构在频率影响下具有较高的容量值;第三，隔离变压器装置内部存在导振的部件，通过将噪音传染源切除的方式实现对噪音传播的阻拦。可在变压器装置内的铁芯、钢板、钢制箱体等关键部位增加橡胶垫片，提升整个装置的抗震性能。除此之外，也可以先确定变压器内各机械构件的位置，准确分析出不同噪音源在传播时的浮动系数，再选取优先阻尼点并进行降噪处理，从而达到节能环保的目的。

（二）基于降损技术的电力变压器设计

大型电力变压器在实际运行中所产生的损耗会因运行工况的不同而表现出一定的差异性，但总体而言，多是由设备本体运行工序的不规范造成的，比如机械部件的损耗影响、构件布局影响以及电磁影响等。因此，从降损角度进行节能设计时，主要聚焦空载和负载两种运行工况即可。

对于配电变压器来讲，要想其在空载工况的情况下实现节能损耗，那么就必须要改变配电变压器的连接设置。第一，可以将配电变压器当中的铁芯连接形式进行更改，确保配电变压器当中的铁芯介质所产生的导磁方向与铁芯连接的方向的一致，通过这种方法，可以帮助配电变压器降低在电能运输过程中产生的电能反向损耗。第二，可以将配电变压器当中连接的对接角度90°改变为现在的45°，通过调整角度也可以帮助配电变压器节省损耗。第三，通过对配电变压器采取五级接法连接铁芯的焊缝处，来进行降低损耗。通过采取这种方式可以帮助配电变压器提高内部不同组件的熔接联合程度，帮助配电变压器实现最低的能耗损失。第四，对于配电变压器的加紧方式可以改变传统的闭合加紧方法，采取选择扎带法来对配电变压器当中的组件实施捆绑，以此来帮助配电变压器减少由于击穿问题而产生的配电变压器变形的情况。在这个过程中需要注意，对于配电变压器的磁通密度选择要考虑好实际的经济成本，确保配电变压器在空载工况的情况下选择损耗率和磁密之间的关系，以此来帮助进一步的降低配电变压器的磁密造成的耗能损失。第五，就是要确保配电变压器在运行过程中，内部的组件设备完整性，防止由于配电变压器内部组件不完整而产生的刮蹭现象。

（三）基于温控技术的电力变压器设计

大型电力变压器在长时间工作后，其内部组件必然会急剧升温，一旦温度超过系统极限值，整个装置的寿命损耗率将严重加剧。通过降低温度使装置内系统温度变化值满足实际运行指标的方法，无疑是提高变压器使用寿命的有效手段。具体而言，可以从绕组的热驱特性入手控制温度提升点，此过程需要采用“六度原则”，对当前设备进行模拟仿真，使变压器装置运行中产生的数据变化值精准映射出来，由此计算出不同状态下系统温度与构件磨损度之间的线性关系，再制定与之相匹配的解决措施。除此之外，也可以从外部降温人手，通过对绕组构件的热源产生点进行物理降温，使燃组构件的运行处于安全范围，从而提升设备的实际使用寿命。这一过程中，应充分考虑构件在装置中的格局分布情况，灵活采用物理降温、磁屏蔽技术等，解决因磁通现象所产生的局部发热问题。

（四）基于油替技术的电力变压器设计

对于配电变压器来讲，通过采用油替技术可以帮助其实现绝缘，以此来达到安全使用的目的。根据我国目前配电变压器使用的基本标准来看，对于配电变压器的绝缘类介质燃点都在340℃左右，在这种级别下，配电变压器发生事故的概率最低。油替技术之所以具备这种特质，是因为油气技术有极高的生物降解率，都是在25天内可以完成95%的降解，并且这种物质与矿类物质相比产生的污染物更小。除此之外，这种技术可以对于配电变压器当中的电感应磁场进行干预，使得配电变压器的交流电场呈现出均衡分布的情况。通过大量的实验观察发现这些油替技术的稳定性比较好，可以有效地帮助配电变压器降低损耗。在配电变压器的具体工作过程中，需要结合不同的工作角度分析配電变压器不同的工作状态，以此来帮助选择最为合适的油替技术。

四、结语

无论是社会发展的需求还是环保理念的普及，都迫使电力变压器的设计趋向于节能化发展。电力变压器的设计需要着重于节能环保的理念，不断地优化功能的设计，从而更好地推动行业的发展。