节能技术在电力变压器设计中的应用

穆占杰

摘  要：随着电力变压器运行压力的不断增加，电力变压器的内部装置会出现不同程度的耗损，使其运行效率降低，还会增加耗能，造成更大的经济负担。所以，有必要在电力变压器设计中应用节能技术，一方面，降低耗损，延长电力变压器使用寿命；另一方面，降低耗能，减少污染，实现节能环保。文章简要分析了节能技术在电力变压器设计中应用的思路，总结了节能技术在电力变压器设计中的具体应用。

关键词：节能技术   电力变压器   设计   新型节能材料  低耗损工艺

中图分类号：TM41             文献标识码：A

Application of Energy-Saving Technology in the Design of

Power Transformers

MU Zhanjie

（Dalian Kaire Branch， Northeast Electric Power Co.， Ltd.，State Power Investment Group， Dalian， Liaoning Province，116000 China）

Abstract： With the continuous increase of the operating pressure of power transformers， the internal devices of power transformers will suffer from different degrees of loss， which will reduce operating efficiency， increase energy consumption and cause greater economic burden. Therefore， it is necessary to apply energy-saving technology in the design of power transformers， which on the one hand reduces consumption and prolongs the service life of power transformers， and on the other hand reduces energy consumption， reduces pollution， and achieves energy conservation and environment protection. This paper briefly analyzes the idea of the application of energy-saving technology in the design of power transformers， and summarizes the specific application of energy-saving technology in the design of power transformers.

Key Words： Energy-saving technology; Power transformer; Design; New energy-saving materials; Low-loss process

电力变压器由于承载长时间的运行压力，不仅会出现不同程度的耗損情况，还会造成噪声污染、能耗量高、局部温度过热等方面的问题。此类问题的出现既会减少电力变压器的使用寿命，还会影响电力变压器正常的工作效率以及人们的正常生产和生活。因此，有必要在电力变压器设计中应用节能技术。

1  节能技术在电力变压器设计中应用的思路分析

1.1  选择新型节能材料

1.1.1 使用新型导线

在进行电力变压器的线路设计时可以选择无氧铜材料，无氧铜材料的最大优点就是可以辅助电力变压器降低线圈内阻。内阻降低之后，电力变压器的铁损和铜损都会降低，也就达到了降低损耗的目的。现阶段，我国正在使用的高温超导电力变压器就是采用了超导型线圈材料，这种材料可以有效降低或者避免电力变压器出现短路情况，也能帮助电力变压器减少损耗。

1.1.2 优化磁体材料

对电力变压器中使用的磁体材料进行升级也能实现节能，降低耗损。比如，现阶段在电力变压器里应用到的非晶合金材料，就能很好地辅助电力变压器消磁，节能降损效果明显且可靠。

1.2  应用低耗损工艺

1.2.1 改进制造工艺

除了使用材料选择节能材料之外，也可以考虑从制作工艺上做出优化和提升。比如：现阶段，应用比较广泛的就是靠计算机系统控制的数控加工技术。数控加工系统能极大程度上便利设计人员对电力变压器内部适用的硅钢片进行加工，不仅操作更加智能、便捷，所制作硅钢片的尺寸、厚度、形状等方面的参数都更加精准。有数据记载，经数控技术加工的硅钢片精度可以达到0.18㎜。数控智能加工技术的应用可以很大程度上降低电力变压器运行过程中的空载消耗[1]。

1.2.2 优化布局结构

设计结构的优化布局一定程度上也可以实现节能降损。目前阶段，新结构的研究焦点主要是在新型绕组结构和新型线圈布置方式两方面。优化新型绕组结构是由于传统绕组结构的抗谐波干扰性能较差而且耗损量大，从这一点考虑，可以根据不同等级的电力变压器设计不同的绕组结构。具体操作，就是借助自黏型的换位导线实现对电力变压器漏磁斗象的全方位控制，借助灵活控制帮助电力变压器减少绕组耗损，从而实现节能降耗。新型绕组结构的应用不仅可以明显提升电力变压器自身的运行效益，还能进一步保障电力变压器在运行过程中的安全性和稳定性。新型线圈布置方式主要研究方向是涡流的流向，以涡流为基准，电力变压器的线圈的布置可以选择横向方式，也可以选择纵向方式，这种线圈布置方式能明显降低电力变压器在运行过程中的耗损。

1.3  使用经济型运行方式

从运行方式的角度考虑，经济型的运行方式更能提升电力变压器的节能水平。经济型运行方式的研究重点应该放在电力变压器的使用材料和工艺上。比如：与老式的电力变压器相比，无功补偿的方式，更能实现节能。电力变压器无功补偿的实现路径主要有以下几个方面：首先，无功变压器的集中补偿。它的实现方式是将电力变压器当中应用到的联电容器安装到高低压线路当中。其次，电力变压器的分组补偿。分组补偿，就是将电力变压器当中的并联补偿电容器安装到电力变压器低压侧或者用户车间当中的配电屏中。无功补偿的运行方式，不仅能提升电力变压器节能的性能，还能更大程度上提升电力变压器的配送功率[2]。

2  节能技术在电力变压器设计中的具体应用

2.1  从节能理念出发的电力变压器降噪技术设计

电力变压器尤其是大型的电力变压器在运行过程中产生的巨大噪音，不仅会给人们的正常生产和生活造成影响，还会一定程度上抬高电力变压器的能耗。首先，从噪音的产生来考虑，电力变压器的噪音主要来自于两方面，一方面是机械设备运行过程中的机械噪音，另一个方面是冷却噪音。机械噪音的产生是因为机械设备内部的钢片会和机械设备的内部架构产生共振，因共振而引发噪音。比如：钢片在电力变压器当中磁力作用下，承托钢片的垫脚机构会产生振动传输力，这种传输力经介质传播之后，就会发出很大的声音，这也是人们常听到的电力变压器的机械噪音。冷却噪音的形成主要是因为承托零部件的降温风扇以及电力变压器当中的冷却机构也会存在振动现象，振动频率不同声音不同，当震动频率超过固有基值，就会造成噪声污染，设备也会发生周期性的、无休止的震动。

从节能理念出发的降噪技术研究设计应该重点从以下几个方面考虑。第一，既然是电力变压器内部的钢片与结构框架碰撞会发出噪声，那么可以把研究点放在钢片上，可以更换原有的钢片，将传播介质的密度增加，降低钢片装置受电磁的影响程度。这样装置的稳定性就更强，共振情况就可以减少。比如：可以选择使用具备导磁能力的介质材料，电磁影响下，材料的伸缩系数低，结构装置的稳定性就强，共振问题就可以避免，不产生共振，噪音自然会大幅度减少。第二，将电力变压器中的电磁结构作为重点研究对象。因为受磁场的影响，配件在磁力的作用下发生振动，产生噪声。如果优化磁场结构，可以通过贴心结构的纵向压缩，将铁芯的震动与系统噪声隔离开。降低系统受磁场影响所产生共振噪声的可能。也可以改变电力变压器内部导体结构的磁通密度，提升零部件的磁密宽度，让导体结构在面对频率振动时频率容量值提升，降低自身受频率振动的影响程度，产生噪声的可能性也会明显减少。第三，从产生振动的零部件考虑，可以将可能产生振动的零部件进行隔离，切断振动零部件和噪音源之间的联系，在噪音传播过程中起到阻尼作用，降低噪音传播。例如：在比较容易共振的钢板、铁芯、箱体结构等部位安装橡胶垫片，提升这些零部件和装置的抗振效果。有效组织噪声传播，实现降噪。也可以进一步、全方位地对电力变压器内部的零部件装置进行研究和检查，确定电力变压器内部哪些零部件和装置会产生共振噪声，或者传播噪音，根据不同的噪音源在传播过程中的浮动系数可以选择性实现阻尼，针对性地采取降噪措施，通过降噪实现节能[3]。

2.2  从节能理念出发的电力变压器降损技术设计

即使是同一台电力变压器，不同运行状态所产生的耗能也是不相同的。比如，很多耗损问题的出现都是由于电力变压器在运行过程中工序应用不当或者操作不规范引起的。机械设备上常常出现的零部件耗损、电磁耗损、架构耗损等等都可能是以上原因导致。现阶段的节能降损技术主要是针对两种运行工况：一种是空载，一种是负载。空载情况下：空载运行过程中的降损设计可以从改变铁芯的连接形式著手，必须确定铁芯介质的导磁方向是统一的，因为反方向导磁就是会增加耗损。连接缝的对接角度最好是45°，因为研究显示，45°的连接缝角度与90°的连接缝角度相比能降低能耗2.6%。使用五级接法焊接铁芯焊缝，进一步增强零部件之间的融合程度，避免因融合不佳造成耗损提升。使用黏带法对加紧零部件进行捆绑，避免因过度击穿出现零部件变形，造成严重损耗。磁通密度选择，既要考虑经济成本，又要考虑线性关系，要保证在电力变压器空载运行情况下，设备所呈现的损耗率与磁密达到1∶1.252的线性关系，降低磁密影响。同时，在进行零部件的制造过程中，必须要保证零部件的完整性，保证零部件表面没有刮损，避免因再次受力问题后续导致零部件再次变形，内应力畸变。负载情况下：可以优化线圈绕组结构，通过增大线圈的流通量，保证线圈所产生的磁通力与整个电力变压器系统所产生的磁通力存在一个均衡状态。借助磁力的分化效果，可以避免电力变压器在运行过程中局部装置出现过热的情况。也因为在线圈安全结构调整过程中，会因电压属性不同绕组结构性能也会存在差异。所以，要按照电力变压器的实际结构情况采取针对性的改进措施，其主要目的是提升系统的传输性能。为进一步提升降损设计方案的可操作性，可以借助现代化软件对变压装置进行参数界定，在仿真模拟的状态下完成各种不同荷载工况的测试，进一步确定机构部件的磁力系数，然后通过调整部件位置，影响漏磁流量和线感电流，分析出不同传输状态下，构件的不同导磁能力，将通过模拟测试所得出的参数值与设计参数值进行比较，如果差异在浮动范围之内，说明设计方案具可操作性。如果差异超过了浮动范围，说明设计存在不可操作性，需对设计方案进一步更改和优化，待方案通过测试，才可以投入使用，才能真正达到降损的目的，同时提升降损设计参数的精准程度[4]。

2.3  从节能理念出发的电力变压器温控技术设计

电力变压器长时间处于运行状态就会出现内部局部部位温度升高的情况。如果温度升高超过系统极限值，必然会增强电力变压器的寿命损耗，缩短电力变压器的使用时长。重点分析电力变压器内部出现升温情况的装置，基本上是组部件升温或者油体升温两种情况。针对电力变压器装置温度升高的问题，肯定是要合理控温，才能保证电力变压器在运行过程中各组件运行正常，性能稳定，才能延长电力变压器的使用寿命。所以，设计过程中，可以重点关注热阻自身的驱热性能，根据热阻的驱热性能对温度提升空间进行控制。比如，可以使用“六度原则”对当前运行设备进行模拟仿真测试。这里的六度原则具体是指电力变压器装置内部的零部件的绝缘老化率。有研究显示，如果绕组部件的温度在85℃～135℃之间，温度每提升5℃，内部零构件的绝缘老化速率就会提升一倍。模拟仿真测试可以模拟出电力变压器装置在运行过程中的温度数值变化，通过这些模拟数据可以了解到，在不同运行状态下，温度系统与零构件磨损之间的关系，然后再根据具体情况制定出相应的温控解决措施，借助模拟测试，也可以进一步得出，不同运行状态下，电力变压器装置在温度极限值时所能达到的最大运行速率。通过对这些数值的了解，就可以更科学地实现控温。并且，构件装置降温也可以使用外部降温的方法。比如：针对构件装置的热源位置采取物理降温，令运行构件的温度值控制在运行参数范围之内，从而保证电力变压器运行的稳定性，延长使用寿命。如果是较大型的电力变压器控温，还要重点考虑构件装置的内部构造和格局，除了可以采用物理降温的方法之外，还可以使用磁屏技术，对电力变压器内部的各种金属构件的磁感应进行屏蔽，这种情况可以有效避免因磁通现象导致的局部温度过高的情况出现。

2.4  从节能理念出发的电力变压器油替技术设计

油替就是用绝缘类介质替代矿物质油体。油替的主要目的就是增强电力变压器运行过程中的安全性和环保性。从性能上讲，绝缘介质的燃点可以高至250℃，绝缘介质的等级可以达到K2级别，绝缘介质的这些性能和特质可以保证将电力变压器装置在运行过程中出现事故的概率降到最低。同时，绝缘介质的生物降解率相比矿物质油体要高很多，25天内就可以实现96%的降解。从这一方面来讲，绝缘介质比矿物质油体的污染性更小，环保性能更高。同时，绝缘介质与电力变压器内部装置的绝缘介质相比，它们的绝缘系数会更相近，电力变压器装置运行过程中，疏导电流所产生的电感应磁场，在均匀介质的影响下，电流磁场分布也会均衡，性能的进一步稳定，都可以作用于电力变压器使用寿命的提升。有研究显示，绝缘介质当中一种天然酯绝缘油的稳定性是最高的，并且兼容性也很强，它的运用可以明显降低电力变压器装置在运行过程中的耗损系数。但是这种介质也有一定的劣势，就是它的吸水性很强，所以，电力变压器在运行过程中，系统的需水量会直线上升，水量增多，运行过程中存在的杂质就会增多，杂质的存在会进一步降低机械设备的运行功率。绝缘介质的油体燃点很高，在同等运行情况下，绝缘介质需要更多的热量驱动，这一情况对设备运行的能源消耗需求量会更大。所以，基于技能理念出发的电力变压器油替技术的设计，既要从现实情况出发，又要多角度考虑设备在不同状态下的运行工况，针对具体的运行情况，再对油替技术进行合理化选定，才能真正作用于电力变压器节能，为电力变压器节能降耗提供技术支持[5]。

2.5  从节能理念出发的电力变压器合理选择

根据我国目前关于变压器的相关法律法规和标准规范规定，S13以上的变压器设备才属于节能型的变压器设备系列。并且节能型变压器设备的要求是：电气能效强度等级、电气能效强度限值等等方面的各项指标、参数和性能都要达到国家所规定的技能技术标准。在目前多种类型的节能电力变压器中，超导节能变压器和非晶态节能变压器是节能效果较为理想的节能变压器设备。非晶体合金是指高温钢水在极短距离内实现溶解降温之后，它的金属分子结构在固化剂的影响下会迅速溶解成无序的电子排列，最后产生一种非晶体合金材料，这种材料不仅结构特别，软磁性也很突出，用非晶体合金材料加工制造的机械设备，能直接降低电能消耗。同时，与传统的合金材料相比，非晶体合金材料它的空载功率降耗一般能达到60%～80%之间，可见，节能效果是非常明显的。当然，非晶体材料的经济成本也更高，在实际节能设计选择过程中不仅要考虑到节能性能问题还要考虑到经济成本问题[6]。

3  结语

综上所述，节能、环保是当前社会重点研究的焦点之一。电力事业能耗量大，污染源多，也要尤其重视节能环保问题。电力变压器节能技术的设计应用要重点从材料、工艺、构造等方面做出改進和优化。一方面，降低电力变压器装置在运行过程中的能耗率，实现节能；另一方面，增强电力变压器在运行过程中的稳定性，延长电力变压器装置使用寿命。为进一步提升电力变压器节能效果，不仅要从技术方面着手，引进和引用先进的节能技术，还要综合考虑电力变压器装置在运行过程中的结构设计，经过反复的模拟测试，在具备可行性的基础上，保证将电力变压器运行过程中的能耗降到最低，最大程度发挥电力变压器的应用价值。

参考文献

[1]熊天哲，孙羽，陈意.新型节能变压器的研究与应用[J].电子元器件与信息技术，2021，5（10）：90-91，93.

[2]曾庆湖.电力变压器优化设计方法研究[D].广州：广东工业大学，2022.

[3]周文琪.节能技术在电力变压器设计中的应用[J].电子技术，2022，51（9）：312-313.

[4]弓耀波.节能技术在电力变压器设计中的应用[J].新型工业化，2022，12（7）：192-195.

[5]李佳琪，咸日常，荣勇，等.基于磁-热-流耦合的非晶合金变压器运行特征分析[J].科学技术与工程，2022，22（32）：14245-14251.

[6]汪帆.基于PDCA的配电网降损措施研究[D].广州：华南理工大学，2021.