滕 悅

葫蘆島八家礦業(yè)股份有限公司，遼寧 葫蘆島 125316

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，無(wú)論是人們?nèi)粘Ｉ钸€是工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于變壓器容量的需求不斷提升，對(duì)于變壓器的穩(wěn)定及可靠性的要求也越來(lái)越高。變壓器在增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性的也帶來(lái)了較大的能量損耗[1]。在變壓器設(shè)計(jì)及運(yùn)行過(guò)程中往往會(huì)涉及多個(gè)參數(shù)，如變壓器的損耗或者噪聲等。隨著變壓器容量的不斷增大，其穩(wěn)定性有所降低、能耗以及發(fā)熱問(wèn)題將更為嚴(yán)重，為了更好地發(fā)揮變壓器的作用，研究大容量變壓器的穩(wěn)定性及損耗問(wèn)題具有重要意義。節(jié)能型變壓器不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器各類(lèi)參數(shù)的優(yōu)化，還降低了能耗。

1 變壓器的損耗類(lèi)型

1.1 空載損耗

1.1.1 空載損耗的類(lèi)型及影響因素

空載損耗主要是指鐵損，通常包含渦流、磁滯和附加損耗等。其中，渦流損耗主要是由于鐵心自身的金屬屬性再加上電磁感應(yīng)的作用而導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生一種環(huán)流，即渦流。因?yàn)殍F心內(nèi)部中有渦流通過(guò)以及鐵心自身的電阻影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)了渦流損耗。磁滯損耗主要由于鐵磁材料經(jīng)過(guò)了多次磁化而導(dǎo)致磁滯情況的發(fā)生。該損耗主要與磁滯回線面積及交變頻率等有關(guān)。附加損耗不僅與變壓器自身性能有關(guān)，還會(huì)受到其生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)等的影響[2]。通常情況下，附件損耗產(chǎn)生的原因主要包括機(jī)械加工過(guò)程中磁性能變差、磁通波形導(dǎo)致產(chǎn)生高次諧波分量及鐵心接縫影響等。

1.1.2 空載損耗的控制方法

空載損耗和磁通密度的平方呈正比關(guān)系，為此，可以通過(guò)降低磁通密度來(lái)有效降低空載損耗。在此過(guò)程中，主要通過(guò)增加鐵心的材料來(lái)降低磁密度，因此這一方法也將減小磁通密度降低的幅度。一般情況下主要采用的是高導(dǎo)磁冷軋硅鋼片。此鋼片具有方向性，當(dāng)其延展方向和磁力線的方向相同時(shí)，損耗最低；當(dāng)兩個(gè)方向之間角度為90°時(shí)，損耗最大。為此，對(duì)于普通鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器，必須注意鐵心柱及鐵扼轉(zhuǎn)角方向性，要防止造成直角接縫，盡可能地采用成斜角或者卷鐵心接縫。

1.2 負(fù)載損耗

1.2.1 負(fù)載損耗的類(lèi)型及影響因素

負(fù)載損耗主要包括電阻及雜散損耗。其中，電阻損耗主要指的是負(fù)載電流在經(jīng)過(guò)變壓器線圈時(shí)，由于線圈自身的電阻而導(dǎo)致的損耗，計(jì)算方式為負(fù)載電流平方和線圈電阻的乘積。雜散損耗主要指的是負(fù)載電流所產(chǎn)生的漏磁通在線圈及結(jié)構(gòu)件中的損耗。該損耗的大小主要與漏磁通的值、分布以及線圈所采用導(dǎo)線的厚度、是否換位等有關(guān)。

1.2.2 負(fù)載損耗的控制方法

對(duì)于中小型變壓器而言，其電阻損耗的比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雜散損耗，而大型電力變壓器則是雜散損耗的比例較大。因此，對(duì)于大型變壓器的負(fù)載損耗，可以通過(guò)屏蔽磁場(chǎng)、對(duì)變壓器線圈進(jìn)行換位、替換導(dǎo)線、選用非磁性材料等方法來(lái)降低雜散損耗。例如，在大型變壓器中采用絕緣層壓板或者低導(dǎo)磁鋼板等材料來(lái)制造線圈壓板，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)件中的雜散損耗。但是此方式的修復(fù)費(fèi)用較大，需要花費(fèi)大量時(shí)間，還會(huì)產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)飛濺，并且會(huì)導(dǎo)致線圈導(dǎo)線及橫向漏磁通分量中的雜散損耗增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要采用的是磁屏蔽法。在線圈的材料不變的情況下，只能通過(guò)降低導(dǎo)線的電流密度來(lái)降低負(fù)載損耗，即通過(guò)提升導(dǎo)線的橫截面積來(lái)降低損耗。但是此種方式勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致線圈的尺寸增大，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的體積或者重量增大。

2 降低電力變壓器損耗的措施

2.1 提高工作人員的技術(shù)水平

目前，我國(guó)電子電力變壓器的控制策略主要分為兩種，即“交-交-交”型及“交-直-交”型。但相關(guān)人員并沒(méi)有完全了解和掌握此方面的相關(guān)知識(shí)與技能。尤其是“交-直-交”型的控制策略，由于其在控制過(guò)程中涉及三維空間矢量調(diào)劑等的應(yīng)用，雖然提升了電能輸出效率，但也對(duì)相關(guān)人員的技能水平提出更高的要求。“交-交-交”型控制策略雖然會(huì)降低變壓器的能耗，但是如果相關(guān)人員操作失誤，將會(huì)造成不可挽回的損失，其對(duì)于操作人員的要求較高。基于此，為了更好地發(fā)揮變壓器的作用，提升供電質(zhì)量，就必須加強(qiáng)對(duì)相關(guān)人員的培養(yǎng)，提升操作人員的專業(yè)技能，注重引進(jìn)掌握該兩種控制策略的人才。加強(qiáng)對(duì)相關(guān)人員的技能等專業(yè)知識(shí)的培訓(xùn)，并定期對(duì)其進(jìn)行思想教育，讓其充分且深刻地意識(shí)到降低變壓器損耗的重要作用，提升工作熱情，增強(qiáng)責(zé)任感。

2.2 采用新型低阻導(dǎo)線及線圈

2.2.1 選用超導(dǎo)材料

目前所用的高溫超導(dǎo)配電變壓器主要通過(guò)應(yīng)用超導(dǎo)性質(zhì)的材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)線，在降低損耗的還可以提升變壓器的抗短路電流的作用。以無(wú)氧銅導(dǎo)線為主的電阻率比較小的導(dǎo)線材料是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常用的導(dǎo)線，其在國(guó)外應(yīng)用得更加廣泛和普遍。此類(lèi)材料在溫度20 ℃時(shí)電阻率只有0.016 Ω mm2/m，相比于電解銅，無(wú)氧銅導(dǎo)線的銅含量在92%～94%，選用無(wú)氧銅導(dǎo)線可以比較降低6%～8%的電阻損耗[3]。無(wú)氧銅導(dǎo)線兼具諸多優(yōu)點(diǎn)，而且超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用還能夠降低變壓器的電阻損耗。

2.2.2 采用新型繞組結(jié)構(gòu)和線圈布置方式

為了降低變壓器的損耗，需要積極采用新型繞組結(jié)構(gòu)及線圈的新型布置方式。新型繞組結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用自粘型換位導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)漏磁走向的控制，可以有效降低損耗；新型線圈布置方式是根據(jù)電流的方向來(lái)科學(xué)合理地選擇線圈布置方式，進(jìn)而將渦流損耗控制在最低水平，降低變壓器運(yùn)行損耗。此外，可以適當(dāng)?shù)販p少導(dǎo)線的長(zhǎng)度，還可以在一定程度上縮短線圈的平均匝數(shù)，通過(guò)改型設(shè)計(jì)縮小鐵芯直徑，有效地提高鐵芯填充系數(shù)；可以選用小油隙、薄紙筒等工具，用絕緣隔板縮小油隙，縮短線圈的平均匝長(zhǎng)；以組合和換位導(dǎo)線的方式降低并聯(lián)導(dǎo)線之間的絕緣性，也能夠達(dá)到減少線圈平均匝長(zhǎng)的目的，從而有效地降低電阻的損耗。

2.3 利用先進(jìn)技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品性能

2.3.1 應(yīng)用現(xiàn)代化數(shù)控加工技術(shù)

在對(duì)變壓器鐵芯相關(guān)磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工的過(guò)程中，應(yīng)用現(xiàn)代化的數(shù)控加工技術(shù)不僅可以有效地控制磁體材料的厚度、截面形狀等，還可以精準(zhǔn)地控制材料尖角毛刺，從而降低變壓器空載損耗。通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算可以確定鐵芯絕緣結(jié)構(gòu)，且保證撐條、墊塊及金屬件倒角等形態(tài)良好；通過(guò)計(jì)算分析可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)及渦流分布的換位；應(yīng)用組裝式生產(chǎn)工藝可以將內(nèi)繞組直接纏繞在絕緣筒上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高度、套裝間隙和直徑公差等的精準(zhǔn)控制，降低由于工藝操作而導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)空載及負(fù)載損耗的概率[4]。

2.3.2 選用卷繞式鐵芯結(jié)構(gòu)

對(duì)于中小型變壓器來(lái)說(shuō)，可以選用卷繞式鐵芯結(jié)構(gòu)降低變壓空載損耗。該種結(jié)構(gòu)的鐵芯磁路完全平行于冷軋硅鋼片的壓延方向，可以充分發(fā)揮硅鋼片的導(dǎo)磁力，降低鐵芯的損耗。階梯接縫鐵芯疊片是一組7片彼此錯(cuò)縫的疊片，一個(gè)鐵芯由許多組構(gòu)成。彼此相鄰的兩層疊片互相錯(cuò)開(kāi)，之間的接縫達(dá)到一定的尺寸，由此形成分級(jí)式接縫結(jié)構(gòu)[5]。在選用階梯接縫鐵芯疊片時(shí)，穿越鐵芯中的磁力線要在接縫處以階梯形纏繞，這不僅可以縮小接縫處的空氣間隙，還能降低交錯(cuò)處的磁飽和，改善磁路導(dǎo)電狀態(tài)，在一定程度上降低空載損耗。

2.3.3 使用分析軟件

變壓器從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種較復(fù)雜的靜止感應(yīng)電器，其主要由鐵芯和繞組等構(gòu)成。優(yōu)化變壓器性能指標(biāo)時(shí)需要綜合考慮離散關(guān)系和非線性關(guān)系。隨著對(duì)變壓器的研究不斷深入，各種專業(yè)軟件也愈發(fā)成熟，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的誤差較大，使用分析軟件降低變壓器損耗已然成為一種趨勢(shì)。使用分析軟件可以校正和處理屏蔽位置，再加上優(yōu)質(zhì)原材料、工藝和技術(shù)等方面的幫助，變壓器的安全性和可靠性得到顯著提升，從而實(shí)現(xiàn)抗短路能力強(qiáng)、損耗低、局放低、溫升低和噪音低等特性[6]。

2.4 合理選擇配電變壓器容量

2.4.1 嚴(yán)格遵守變壓器容量選擇原則

在變壓器的選擇過(guò)程中必須全面考慮電力負(fù)荷，科學(xué)地選擇變壓器的型號(hào)，進(jìn)而確保變壓器運(yùn)行損耗在最低范圍內(nèi)。能否科學(xué)合理地選擇配電變壓器的容量，直接關(guān)系到變壓器運(yùn)行是否安全、經(jīng)濟(jì)。一般來(lái)說(shuō)，在正式確定配電變壓器容量之前，要對(duì)單位的用電性質(zhì)、負(fù)荷狀態(tài)、用電設(shè)備數(shù)量、使用季節(jié)、使用時(shí)間、工作設(shè)備的需求、直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量的最大值等進(jìn)行詳盡的調(diào)查和了解，為實(shí)現(xiàn)變壓器的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行打下基礎(chǔ)。對(duì)于配電變壓器容量的選擇要嚴(yán)格遵循以下兩個(gè)原則[7]。

（1）所選用的配電變壓器不宜容量過(guò)大。通常來(lái)說(shuō)，供應(yīng)負(fù)荷的用量應(yīng)該占額定容量的75%左右。配電變壓器的容量要匹配直接啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的最大容量，以確保電動(dòng)機(jī)能夠順利安全地啟動(dòng)，全壓?jiǎn)?dòng)的異步電動(dòng)機(jī)容量要小于等于配電變壓器容量的30%左右。在保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)，還要確保其他設(shè)備的電壓大于等于額定電壓的25%，不然就要以降壓的方式啟動(dòng)。

（2）變壓器要具備安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.4.2 應(yīng)用節(jié)能型變壓器

淘汰高能耗、老舊的變壓器，加強(qiáng)對(duì)新型節(jié)能型變壓器的應(yīng)用。變壓器具有升壓、降壓、匹配阻抗及安全隔離等作用，其在低壓電網(wǎng)中發(fā)揮著不可替代的作用。使用節(jié)能型變壓器可以有效地降低線損，供電線路應(yīng)當(dāng)盡可能地使用節(jié)能型變壓器，尤其是對(duì)于長(zhǎng)期超負(fù)荷的變壓器，更應(yīng)當(dāng)更換為節(jié)能型變壓器，由此降低線損。盡可能不使用或者少使用SL1、S2 及S7等高耗能的變壓器[8]。在選擇變壓器并聯(lián)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案的過(guò)程中，還要掌握變壓器負(fù)荷，通過(guò)計(jì)算分析變壓器負(fù)荷容量來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的均衡，降低變壓器在運(yùn)行過(guò)程中的損耗；在變壓器運(yùn)行中還要采取一定的散熱措施，降低高溫的影響。

2.5 降低附加損耗

2.5.1 降低渦流損耗

渦流損耗和線圈導(dǎo)線損耗的降低主要取決于渦流和環(huán)流損耗的降低。導(dǎo)線中漏磁場(chǎng)的渦流損耗和與漏磁方向垂直的導(dǎo)線尺寸平方呈正比。因此，為了降低渦流損耗，導(dǎo)線的尺寸不能過(guò)大。還可以選用雙連續(xù)式、雙糾結(jié)式并聯(lián)線段連接線圈的兩端，以降低端部導(dǎo)線中的渦流損耗。

2.5.2 降低環(huán)流損耗

在變壓器的實(shí)際工作中，多根導(dǎo)線并聯(lián)繞制線圈比較常見(jiàn)，要對(duì)其進(jìn)行換位。要以完全換位的方法降低多根導(dǎo)線并聯(lián)產(chǎn)生的環(huán)流損耗。換位導(dǎo)線的選用可以降低20%～30%的環(huán)流損耗，而且無(wú)須在繞制線圈時(shí)換位，縮短繞線的時(shí)間，顯著地提高線圈的安全性和可靠性[9]。

2.5.3 引線偏磁通形成附加損耗的降低

線圈和引線的漏磁場(chǎng)共存，在引線漏磁場(chǎng)周?chē)匿摬纳蠒?huì)形成很多附加損耗，與雜散損耗的比值在5%～10%。因此，要求引線與油箱壁、鋼材之間的距離要大于等于銅排的寬度，還要盡量地縮短銅排之間的間距。此外，要防止相鄰引線出現(xiàn)瞬時(shí)電流漏磁疊加的情況，以有效地降低附加損耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，變壓器的損耗直接關(guān)乎整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，為此可以通過(guò)提高工作人員的技術(shù)水平、采用新型低阻導(dǎo)線及線圈、改進(jìn)制造工藝、合理選擇變壓器容量及降低附加損耗等方式來(lái)降低變壓器損耗。