山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院 李 豫

1 引言

變壓器溫升允許限值內(nèi)，變壓器鐵心溫度最高可達(dá)100℃以上，為了降溫，現(xiàn)有技術(shù)采用強(qiáng)迫油冷、或者采用強(qiáng)迫風(fēng)冷等降溫措施，外殼采用散熱油管進(jìn)行散熱，不論哪一種散熱方式，均是將熱量排入空氣中，而變壓器發(fā)熱所消耗掉的能量相當(dāng)可觀，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

各國變壓器技術(shù)領(lǐng)域的專家們都在致力于減少變壓器損耗的研究，也研發(fā)出一系列的新成果，比如旨在減少空載損耗的高導(dǎo)磁高電阻的非晶合金材料、立體鐵心等[1]，旨在減少負(fù)載損耗的高導(dǎo)電率的無氧化銅、高溫超導(dǎo)材料等，此外還有調(diào)容變壓器，避免大馬拉小車現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的損耗。

有關(guān)研究表明[2]，全國一年的電網(wǎng)損耗占到輸電總?cè)萘康?.7%，而變壓器損耗占到60%，按近年來我國發(fā)電總量約5萬億千瓦時(shí)估算，那么，變壓器一年損耗約3850億千瓦時(shí)。這些損耗絕大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃肯⒌酱髿庵?。毫無疑問，此項(xiàng)損耗隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，會(huì)逐步減少。

2 變壓器損耗發(fā)熱概述

繞制變壓器時(shí)需要大量的銅線，這些銅導(dǎo)線存在著電阻，電流流過時(shí)電阻會(huì)消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，這種損耗稱為“銅損”；

當(dāng)變壓器的初級(jí)繞組通電后，線圈所產(chǎn)生的磁通在鐵心流動(dòng)，因?yàn)殍F心本身也是導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上就會(huì)感應(yīng)電勢，這個(gè)電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，稱為“渦流”。這個(gè)“渦流”增加了變壓器的損耗，導(dǎo)致變壓器的鐵心發(fā)熱，變壓器溫升增加，由“渦流”產(chǎn)生的損耗稱為“鐵損”，所以變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產(chǎn)生的，另外，交變的磁場還在鐵心中產(chǎn)生磁滯損耗。

3 傳統(tǒng)變壓器降低損耗措施

3.1 空載損耗降低措施

變壓器空載損耗主要是鐵損，根據(jù)鐵耗分立計(jì)算模型，在不考慮集膚效應(yīng)時(shí)，鐵心損耗可以用下式表達(dá)：

式中：Pir為鐵耗（W/kg）；Ph為磁滯損耗（W/kg）；Pec為經(jīng)典渦流損耗（W/kg）；Pe為附加損耗（W/kg）。

采用高導(dǎo)磁材料，如非晶合金，由于其原子排列無序，沒有晶體的各向異性，是優(yōu)良的軟磁材料，其磁滯損耗Ph低，并且其電阻率高，經(jīng)典渦流損耗Pec低，而附加損耗Pe指變壓器運(yùn)行過程中，鐵心和線圈發(fā)熱、鐵心漏磁等等產(chǎn)生的損耗，雖然非晶合金對(duì)于附加損耗的降低不太明顯，但磁滯損耗Ph和經(jīng)典渦流損耗Pec兩項(xiàng)損耗比普通硅鋼片低得多，因此，非晶合金的使用大幅度降低了變壓器的空載損耗；此外，改進(jìn)鐵心結(jié)構(gòu)，降低工藝系統(tǒng)，如將傳統(tǒng)的疊鐵心改為卷鐵心等措施對(duì)于降低空載損耗都有一定作用。

3.2 負(fù)載損耗降低措施

采用適用繞組和改進(jìn)繞組結(jié)構(gòu)，提高填充系統(tǒng)，如采用糾結(jié)式、插入電容式繞組、層式或分段筒式繞組；改變鐵心與繞組壓緊結(jié)構(gòu)，采用電磁屏蔽；增加絕緣隔板等。

3.3 調(diào)容量變壓器

將線圈的繞制和連接方式進(jìn)行一些必要的改動(dòng)，加上調(diào)容轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以根據(jù)負(fù)載大小隨時(shí)調(diào)整容量，避免大馬拉小車現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4 變壓器降溫?fù)Q熱技術(shù)方案

目前，為了減少損耗所投入的成本與降低損耗所節(jié)約的成本之差逐步在縮小，降低變壓器損耗的努力必然會(huì)終結(jié)。那么，有沒有一種利用傳統(tǒng)變壓器而達(dá)到節(jié)能降耗目標(biāo)的解決方案呢？答案是肯定的。其實(shí)人們?cè)谧非蟮蛽p耗的過程中，忽略了一點(diǎn)，就是，損耗固然需要降低，但另一方面，若是將損耗的電力所產(chǎn)生的熱量充分的利用起來，從全局上考量，也是一種節(jié)能途徑，本文介紹一種新型變壓器，即具有降溫?fù)Q熱裝置的變壓器。

本文提出的變壓器降溫?fù)Q熱裝置（ Tr ansf or mer Cool ing Heat Exchange Device）是指將變壓器的冷卻介質(zhì)導(dǎo)入至變壓器本體之外的換熱裝置中，由換熱裝置將熱源介質(zhì)加熱從而將變壓器損耗所產(chǎn)生的熱量通過循環(huán)油道傳遞到換熱裝置內(nèi)的換熱介質(zhì)上，再將加熱后的換熱介質(zhì)通入需要加熱的器具如取暖裝置、或熱水裝置。

在變電站內(nèi)，或小區(qū)內(nèi)的變電室，一切安裝有較大容量變壓器的場所均可采用本文描述的具有降溫?fù)Q熱裝置的變壓器。

4.1 變壓器降溫?fù)Q熱裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，變壓器降溫?fù)Q熱裝置，包括外殼4、鐵心5、換熱裝置1及循環(huán)油泵9，所述鐵心5內(nèi)部設(shè)置油道6，油道6內(nèi)充油；所述外殼4設(shè)置循環(huán)油入口8及循環(huán)油出口3，并分別通過管道2與換熱裝置1連通；在管道2上位于循環(huán)油入口8處設(shè)置有循環(huán)油泵9；

圖1所示結(jié)構(gòu)，其油循環(huán)只是針對(duì)變壓器內(nèi)溫度最高的部位所采取的強(qiáng)迫鐵心內(nèi)部油循環(huán)，其更適合于干式變壓器的鐵心內(nèi)部降溫；實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于大型、特大型變壓器，采用箱體內(nèi)注油進(jìn)行冷卻，此種結(jié)構(gòu)的變壓器可如圖2所示，在圖2中箱體內(nèi)注油將繞組上的熱量通過循環(huán)油帶出，鐵心的熱量通過油道6帶出，變壓器整體溫度控制在一定合理范圍內(nèi)。

由多個(gè)換熱裝置與變壓器的冷卻油循環(huán)系統(tǒng)組成換熱系統(tǒng)，在箱體與油枕10之間同樣設(shè)置換熱裝置，將箱體內(nèi)的冷卻油所攜帶的熱量通過換熱裝置轉(zhuǎn)換到換熱介質(zhì)上。

由圖1或圖2可看出，本文所述的變壓器，特別是對(duì)于大型的變壓器，無需散熱裝置，只需在殼體上提供循環(huán)油出入口即可。這樣，傳統(tǒng)的散熱裝置由降溫?fù)Q熱裝置替代。

4.2 具體工作過程

循環(huán)油泵9將換熱裝置中的較低溫度的油泵入鐵心5內(nèi)的油道6中，使油在鐵心5內(nèi)循環(huán)并將鐵心上的熱量帶走，經(jīng)循環(huán)油出口3導(dǎo)出，進(jìn)入換熱裝置內(nèi)，將熱量傳遞到換熱介質(zhì)中，并輸出。冷卻油則在變壓器鐵心5內(nèi)循環(huán)。降溫效果好，同時(shí)，充分回收了變壓器線圈7和鐵心5損耗所產(chǎn)生的熱量。而傳統(tǒng)的變壓器冷卻油在循環(huán)過程中將其所攜帶的熱量全部通過散熱器散播到大氣中，給局部環(huán)境造成一定影響。

圖1 變壓器降溫?fù)Q熱裝置原理性結(jié)構(gòu)圖

圖1 中，1-換熱裝置；2-管道；3-循環(huán)油出口；4-外殼；5-鐵心；6-油道；7-變壓器線圈；8-循環(huán)油入口；9-循環(huán)油泵。

5 具體應(yīng)用

5.1 冬季取暖熱力供應(yīng)

5.1.1 戶內(nèi)變電站

戶內(nèi)變電站，主變及配電裝置均在戶內(nèi)布置。

圖3 戶內(nèi)變電站實(shí)景圖

如圖3所示，對(duì)于戶內(nèi)變電站，由于其通常設(shè)置在居住區(qū)或辦公區(qū)，因此，可以將變壓器降溫?fù)Q熱裝置的換熱介質(zhì)管網(wǎng)并入該地區(qū)的集中供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)中。對(duì)于該地區(qū)加熱站是一個(gè)熱能補(bǔ)充。

5.1.2 半戶內(nèi)變電站

半戶內(nèi)變電站，主變?cè)趹敉?，配電裝置在戶內(nèi)布置，實(shí)景如圖4所示。

圖4 半戶內(nèi)變電站實(shí)景圖

對(duì)于半戶內(nèi)變電站，由于主變?cè)趹敉?，但通常設(shè)置于居住區(qū)或辦公區(qū)，變壓器降溫?fù)Q熱裝置的傳熱介質(zhì)管網(wǎng)如同戶內(nèi)變電站的情況一樣，可并入該地區(qū)集中供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)中。

5.1.3 戶外變電站

戶外變電站，主變及配電裝置均在戶外布置，其實(shí)景如圖5所示，對(duì)于戶外變電站，一般設(shè)置在遠(yuǎn)離城市中心的土地資源比較寬松的地帶。由于此類變電站的主變?nèi)萘枯^大，其損耗也較大，損耗發(fā)熱量相當(dāng)可觀，可將換熱裝置就地布置在主變附近，并鋪設(shè)熱力管網(wǎng)，與城市供熱一次管網(wǎng)聯(lián)通。

5.2 非取暖期或南方地區(qū)的應(yīng)用

在非取暖期或南方地區(qū)，變壓器損耗發(fā)熱如何利用？針對(duì)各類型變電站，作者認(rèn)為，可以在換熱裝置熱介質(zhì)輸出口設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)取暖期結(jié)束后，將其切換至茶爐熱水系統(tǒng)，或者制冷系統(tǒng)。

6 結(jié)論

綜上所述，變壓器降溫?fù)Q熱裝置（本裝置已申請(qǐng)國家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?01410561160.3）適合各種類型變電站的主變壓器的降溫?fù)Q熱，并且能夠通過與城市供熱管網(wǎng)合并在冬季向城市提供熱力，在非取暖期則可提供熱源用于開水或制冷，對(duì)于一座城市而言，或者對(duì)于一個(gè)企業(yè)、一個(gè)住宅小區(qū)而言，節(jié)能效果是顯著的，引入一種系統(tǒng)節(jié)能的概念，轉(zhuǎn)變局部節(jié)能的狹隘節(jié)能思路，將單體變壓器的損耗問題，融合到一座城市中的整體節(jié)能方案中來考量，不失為一條有益于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的路徑。

[1]趙躍進(jìn),吳珊.變壓器節(jié)能技術(shù)的發(fā)展及趨勢[J].認(rèn)證技術(shù),2010(7).

[2]姚磊,姚志松.節(jié)能變壓器結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)[J].中國電力,2007(9).