基于功耗问题如何做好节能型配电变压器设计

郭良望

摘要：配电变压器是电网中分布最广、数量最多的电气设备之一，通过合理的节能设计减少运行中配电变压器的电能损耗，以达到高效、节能、减排的效果，这对整个配电系统有着不可忽略的作用和意义。基于此，本文对节能型配电变压器设计若干问题进行分析和探讨，希望能对高效节能型配电变压器的推广应用有所帮助。

关键词：节能减排;环保设计;节能型;配电变压器

配电变压器作为使用最为广泛的电力设施，数量特别巨大，型号复杂，难以管理的问题，需提高各方人员的节能意识，才能收到理想效果。目前节能已经成为全社会共同关注与研究的课题。从节约能源、保护环境出发，高效节能型配电变压器是目前变压器行业的发展趋势。尽管配电变压器的能源转化效率较高，但因其在供配电网络中数目众多，具有较大的节能空间。由于现在国内很多地区的配电变压器大部分为低能效等级产品，耗能相对较多，随着节能减排绿色理念的不断深化，通过系统合理分析及设计高效节能型配电变压替换低能效配电变压器对配电成本控制方面也有着重要意义。

一、新型节能配电变压器的特点介绍

目前我国配电网使用的新型节能型配电变压器主要由两种型式，一種为非晶合金铁心配电变压器，另一种为三维立体卷铁心配电变压器。非晶合金配电变压器是采用非晶合金材料取代传统的硅钢片作为铁心的配电变压器，三维立体配电变压器是采用磁路结构上进行特殊布置的变压器。非晶合金铁心变压器，简称非晶变压器，铁心采用非晶合金卷制而成。非晶合金铁心变压器是用新型导磁材料-非晶合金制作铁心的变压器，用于制作变压器铁心材料的非晶合金主要以铁、钴、硌、锰等金属为合金基础，并加入少量的硼、碳、硅等元素，因此具有铁磁性良好、机械强度高、耐蚀性能好、制造工艺简单、成材率高等优点。非晶合金配电变压器的最大优点是铁心损耗非常低，较目前广泛采用的S11配电变压器相比空载损耗降低约60～70%。如表1所示：

其中三维立体卷铁心配电变压器是近年来发展起来的新型节能配电变压器，该变压器采用传统冷轧硅钢片材料，在磁路结构上进行了特殊布置，使硅钢带的高导磁方向与磁路完全一致，三个心柱呈等边三角形立体排列，三相磁路长度相同，且磁路与传统叠片式相比最短，铁心心柱的横截面更加接近于圆型。在制造工艺上比传统的叠片铁心变压器可减少5～6道工序。由于磁路上的特点，使其具有降低空载损耗、节省材料、减少噪声等优点。

二、新型配电变压器节能原因

目前常用的新型配电变压器是S11型叠铁心变压器。S11型变压器采用的是外高磁化力的高导磁硅钢片，片厚为0.27mm，单位铁损1W/kg;新S9型为普通硅钢片，片厚为0.35mm，单位铁损1.55W/kg。如果要使单位损耗进一步降低，就需进一步采用激光照射和机械压痕的措施，如日本采用激光照射的ZDKH冷轧取向硅钢片，片厚0.27mm为0.93W/kg，片厚0.23mm为0.85W/kg。硅钢片越薄，涡流的抵消效果越好，损耗越低。为了降低损耗，硅钢片使用的厚度越来越薄。片形越薄，刚度越差，给叠积铁心造成困难，而卷铁心变压器适宜使用薄型硅钢片。因卷铁心几乎没有叠铁心的叠接接缝，减少了磁阻，因此空载损耗小。卷铁心变压器制作加工较困难（特别是630kV·A以上的变压器），专用设备投资大，容量越小的，卷铁心优越性体现得越明显;容量越大的，卷铁心的优越性就越显现不出来。因此卷铁心产品尚不具备明显优势，近期不存在卷铁心变压器取代叠铁心变压器的趋势。但薄型高导磁取向硅钢片和非晶合金钢片的大量生产，卷铁心制造专用设备的研究成功，卷铁心变压器已被世界各国所重视，在将来有发展前途。

三、节能型配电变压器的设计

3.1铁芯的确定

铁芯采用长圆形结构，与圆形结构铁芯相比较其优点在于当二者截面积相同时，长圆形截面的铁芯具有更高的填充系数。在空间上，长圆形铁芯结构又能使两相线圈间的中心距缩小，这样产品的横向尺寸也会相应减小。

3.2低压线圈的确定

当低压线圈选用箔绕形式时，为了满足温升的需要，会在低压线圈层间加入气道，这就将低压线圈分为内、外2个部分，2个部分线圈层数分布对低压线圈整体温升的影响较大。根据低压线圈温升计算公式可知，低压箔式绕组靠近铁芯侧不计散热面积，也就是说靠近铁芯部分的内线圈只有一个散热面，外线圈有2个散热面。此时可采取将低压线圈总匝数的1/3作为内线圈的匝数，其余的2/3作为外线圈的匝数的方法，这样内线圈的发热量约为整个线圈的1/3，外线圈为整个线圈的2/3，与二者散热面积成比例，一般经过计算两部分温升基本相同，低压线圈散热均匀，有利于延长变压器寿命。另外，加入的气道条的数量也要合理，气道条数量太多会遮挡过多的线圈散热面积，不利于线圈散热，加入的气道条太少则会支撑不了外线圈，使其不成型，出现凹陷的情况。

3.3空载损耗

3.4负载损耗

变压器的负载损耗是电阻损耗、附加损耗引线损耗、杂散损耗的总和

3.5软件设计

变压器辅助设计程序需要实现2个功能，一是优化设计功能;二是手动调节功能。当电磁方案优化后，可以根据实际情况做适当的手动调整，得到结构合理、性能优越且适于生产的方案。手动调节的目的是对优化后得到的方案进行修改，使修改后的方案满足公司实际生产条件，并能和同类型产品形成通用化、标准化、系列化。

3.6优化算法的选择和实现

四、结束语

综上所述，随着我国节能减排工作的日益深入，在配电网中新增或更换变压器时，应优先考虑选择低损耗的变压器，特别是非晶合金铁心配电变压器和三维立体卷铁心配电变压器。通过分析电力变压器容量与损耗的关系，合理提出计算临界负荷电流的方法。在轻负荷时期，科学选择配电变压器的运行方式，达到降损节电的目的。

参考文献：

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[2] 地区电网采用高效变压器的节电潜力分析[J].石怡理，欧阳森，杨家豪，冯天瑞.电力需求侧管理.2018（05）

[3] 有载调容变压器安全经济运行控制策略[J].范闻博，韩筛根.电力系统自动化.2018（18）

（作者单位：顺特电气设备有限公司）