劉興盛

關鍵詞：節(jié)能技術;電力變壓器;設計

根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，當前我國所有變壓器自身耗能占發(fā)電總量的3%～10%，存在很大的節(jié)能空間和節(jié)能潛力。為此，電力系統(tǒng)要著眼于節(jié)能技術的開發(fā)和利用，在保證運行質(zhì)量的前提下不斷提升電力變壓器的節(jié)能效果。為此，文章以配電變壓器為研究對象，闡述了節(jié)能技術的基本應用思路，從不同節(jié)能角度分析了大型電力變壓器的設計途徑。

一、配電變壓器相關理論概述

（一）配電變壓器工作原理分析

配電變壓器屬于電力變壓器的一個類別，以電磁感應為工作原理，相關示意圖如下圖所示，其中兩邊為是高壓繞組和低壓繞組，連接電源的為原繞組，副繞組則連接負載。原繞組的匝數(shù)為WI，副繞組的匝數(shù)為Wz，且兩繞組之間不存在電的聯(lián)系，僅存在磁的耦合。

通過上圖可以發(fā)現(xiàn)，正是由于配電變壓器在工作的過程中存在著電磁感應的原理，也就是指通過電感來生磁，而磁感生出電的現(xiàn)象，當接通繞組1與交變電壓時就會產(chǎn)生突變的電流，同時在這個過程中鐵心當中，流過的電流就會與電源電壓的同頻產(chǎn)生交變磁通。而配電變壓器當中不同電壓等級的電能傳遞，就是通過繞組電壓同頻產(chǎn)生的感應電勢，與組2當中產(chǎn)生同頻的感應電視共同配合之下產(chǎn)生的交流電。

（二）配電變壓器損耗情況分析

影響配電變壓器損耗的情況主要有兩個方面，其一是有功損耗，其二則是無功損耗。在配電變壓器實際的經(jīng)營運轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生的損耗就被稱為有功損耗，具體的可以將其更加細致地分為銅損和鐵損兩個方面。具體的表現(xiàn)則為配電變壓器發(fā)生鐵芯發(fā)熱的情況，這種功能的損耗大多都是以熱能的形式來散發(fā)，如果嚴重的還會對配電變壓器的運轉(zhuǎn)造成一定的影響，如果在將鐵損進行細致的分析，那么鐵損又包括了當中的磁滯損耗和渦流損耗兩大方面。渦流損耗是指配電背壓器在具體的工作過程中，由于自身的磁力線存在于鐵芯當中，所以觸發(fā)了對于配電變壓器當中的電磁感應原理，從而使得電流在線圈當中會形成一個閉合的回路，從而產(chǎn)生渦流狀旋轉(zhuǎn)。與此同時，由于配電變壓器當中的鐵芯會產(chǎn)生渦流流動，那么就會使得配電變壓器當中的鐵芯散發(fā)出一定的熱量，從而消耗配電變壓器的能量，這部分的能量消耗就被稱之為渦流損耗。對于配電變壓器當中的磁滯損耗來說，就是指在交流的電流通過時，通過配電變壓器當中剛片的磁力線大小與方向呈現(xiàn)出有規(guī)律性的變化，之后就會發(fā)生互相的摩擦，進而使得配電變壓器產(chǎn)生熱能，將這部分的熱能損耗稱之為磁質(zhì)的損耗。銅損在配電變壓器中的損失不太常見，主要是指配電變壓器在線圈電阻中所產(chǎn)生的損耗，具體的表現(xiàn)為配電變壓器當中的電流通過線圈電阻時，會因為散發(fā)熱量而產(chǎn)生的能量，這個過程都會使得一部分的電能轉(zhuǎn)化為熱能，隨即被消耗。

對于配電變壓器來講，產(chǎn)生于變壓和能量傳遞之中的損耗就被稱為無功損耗，這個過程是由于配電變壓器不存在實際的有功功率。配電變壓器當中的無功損耗也分為兩部分的內(nèi)容，第一，配電變壓器自身的電流可能會與負載電流產(chǎn)生一定的聯(lián)系，從而構成非恒定損耗。并且，配電變壓器當中所負載的電流如果較大的話，那么它產(chǎn)生的損耗也就會越大。另一部分，因為配電變壓器是建立在與主磁路聯(lián)通的電流，隨即產(chǎn)生的恒定損耗，與配電變壓器當中的負載電流沒有直接的聯(lián)系。在相關的工作人員設計配電變壓器時，并不需要考慮特別大的容量，只需要將容量的設計，符合實際的無功損耗即可。

二、配電變壓器應用節(jié)能技術的思路

（一）采用新型材料和工藝降低損耗

措施一：更換全新的導線。對于配電變壓器來講，在對其進行線路設計的過程中可以應用起無氧銅，將無氧銅應用為導向的材料，它的優(yōu)點可以幫助配電變壓器實現(xiàn)降低線圈內(nèi)阻的情況，通過采取這種方式，配電變壓器當中的鐵損和銅損就會降低，以此來幫助配電變壓器實現(xiàn)節(jié)約損耗的情況。目前已經(jīng)投入使用的高溫超導配電壓器已經(jīng)采用了超導線材，提高了配電背壓器靠短路的性能，并且也幫助其實現(xiàn)了降低損耗的效果。

措施二：優(yōu)化配電變壓器的磁體材料。配電變壓器要想實現(xiàn)節(jié)能，降低運行損耗，那么就必須要對配電變壓器當中的磁鐵材料進行升級。近年來，配電變壓器開始應用非晶合金的材料，以來幫助配電變壓器實現(xiàn)消磁的功能，并且取得了可靠的效果。

措施三：改進制造工藝。如果從配電變壓器的制造工藝上人手，也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降損的目的。比如：當前普遍使用的數(shù)控加工系統(tǒng)多由計算機控制，便于設計人員對變壓器內(nèi)部的硅鋼片進行加工，可以通過精確控制硅鋼片的厚度、界面形狀等參數(shù)，這就極大地降低了配電變壓器運行中的空載損耗，據(jù)相關資料顯示，目前的硅鋼片加工精度已達到0.18mm。

措施四：布置新結構。相關研究目前主要著眼于兩個方面，一個是采用新型繞組結構，另一個是采用新型線圈布置方式。前者是考慮到傳統(tǒng)繞組結構抗諧波干擾能力較差且損耗過大，可以根據(jù)配電變壓器自身不同的等級來選擇不同的繞組結構。舉例來講，通過采用自粘型的換位導線，可以實現(xiàn)對配電變壓器漏磁斗象的全方面控制，從而幫助配電變壓器減少繞組可能產(chǎn)生的損耗，這樣一來，既可以提升配電變壓器自身的效益，又可以確保運行安全。相對于前者來講，后者主要是以渦流的流向為基準，然后選取橫向的方式或者縱向的方式，實現(xiàn)對配電變壓器當中線圈的布置，以此來降低配電變壓器運行當中的損耗程度。

（二）改善經(jīng)濟運行方式，提高節(jié)能水平

在配電變壓器的實施過程中，要改善經(jīng)濟運行的方式，那么就必須要重視起配電變壓器的材料以及工藝的選擇。相對于原先傳統(tǒng)的變壓器來講，通過采取無功補償?shù)姆绞?，可以幫助配電變壓器實現(xiàn)節(jié)能的目的。而配電變壓器實施無功補償?shù)穆窂街饕ㄒ韵聨讉€方面的內(nèi)容，第一是無功電壓器的集中補償，也就是將配電變壓器當中的并聯(lián)電容器安裝到高低壓配電線路當中。第二則是配電變壓器的分組補償，所謂的分組補償，就是將配電變壓器當中的并聯(lián)補償電容器安裝到配電變壓器，低壓側和用戶車間的配電屏當中。通過采取以上幾種方式，可以更好地提高配電變壓器的節(jié)能水平，增強配電變壓器的輸送功率。

三、節(jié)能技術在大型電力變壓器設計中的應用

長時間高負荷的運轉(zhuǎn)加劇了變壓器設備內(nèi)部構件的磨損，為了提高設備的運行效率，可以從以下四個方面采取相應的技術實現(xiàn)節(jié)能目的。

（一）基于降噪技術的電力變壓器設計

分析電力變壓器裝置構造可知，噪音的構成主要有機械噪音和冷卻噪音兩部分。機械噪音來源于設備內(nèi)部鋼片與設備框架發(fā)生共振所形成的，比如變壓器運行中，對內(nèi)部鋼片產(chǎn)生的磁力影響使得承接鋼片固定的墊腳機構產(chǎn)生震動傳輸力，這股力量經(jīng)由不同介質(zhì)傳播至物體中形成噪音。冷卻噪音則來源于承接系統(tǒng)部件降溫的風扇機構或冷卻機構發(fā)生震動所形成的，這一震動頻率所導致的噪音污染超出了固有的基頻值，繼而引發(fā)設備無規(guī)則或周期性震動的現(xiàn)象。結合以上兩點分析，運用節(jié)能降噪技術設計電力變壓器時，可從這幾個角度出發(fā)：第一，調(diào)換變壓器內(nèi)部原有的鋼片結構，增強介質(zhì)部件的密度，從而降低裝置所受到的電磁影響?？墒褂镁邆鋵Т盘匦缘牟牧?，使得變壓器內(nèi)部構件在受到電磁作用時，由于材料的伸縮系數(shù)大幅降低，則部件的穩(wěn)定效果得以提升，有效規(guī)避了共振現(xiàn)象;第二，優(yōu)化變壓器裝置中的電磁結構，通過縱向壓縮鐵芯結構體積，實現(xiàn)鐵芯發(fā)出頻率與系統(tǒng)噪音之間的隔離。另外也可以改變變壓器內(nèi)部導體結構的磁通密度，通過提高部件的磁密寬度閥值，確保導體結構在頻率影響下具有較高的容量值;第三，隔離變壓器裝置內(nèi)部存在導振的部件，通過將噪音傳染源切除的方式實現(xiàn)對噪音傳播的阻攔?？稍谧儔浩餮b置內(nèi)的鐵芯、鋼板、鋼制箱體等關鍵部位增加橡膠墊片，提升整個裝置的抗震性能。除此之外，也可以先確定變壓器內(nèi)各機械構件的位置，準確分析出不同噪音源在傳播時的浮動系數(shù)，再選取優(yōu)先阻尼點并進行降噪處理，從而達到節(jié)能環(huán)保的目的。

（二）基于降損技術的電力變壓器設計

大型電力變壓器在實際運行中所產(chǎn)生的損耗會因運行工況的不同而表現(xiàn)出一定的差異性，但總體而言，多是由設備本體運行工序的不規(guī)范造成的，比如機械部件的損耗影響、構件布局影響以及電磁影響等。因此，從降損角度進行節(jié)能設計時，主要聚焦空載和負載兩種運行工況即可。

對于配電變壓器來講，要想其在空載工況的情況下實現(xiàn)節(jié)能損耗，那么就必須要改變配電變壓器的連接設置。第一，可以將配電變壓器當中的鐵芯連接形式進行更改，確保配電變壓器當中的鐵芯介質(zhì)所產(chǎn)生的導磁方向與鐵芯連接的方向的一致，通過這種方法，可以幫助配電變壓器降低在電能運輸過程中產(chǎn)生的電能反向損耗。第二，可以將配電變壓器當中連接的對接角度90°改變?yōu)楝F(xiàn)在的45°，通過調(diào)整角度也可以幫助配電變壓器節(jié)省損耗。第三，通過對配電變壓器采取五級接法連接鐵芯的焊縫處，來進行降低損耗。通過采取這種方式可以幫助配電變壓器提高內(nèi)部不同組件的熔接聯(lián)合程度，幫助配電變壓器實現(xiàn)最低的能耗損失。第四，對于配電變壓器的加緊方式可以改變傳統(tǒng)的閉合加緊方法，采取選擇扎帶法來對配電變壓器當中的組件實施捆綁，以此來幫助配電變壓器減少由于擊穿問題而產(chǎn)生的配電變壓器變形的情況。在這個過程中需要注意，對于配電變壓器的磁通密度選擇要考慮好實際的經(jīng)濟成本，確保配電變壓器在空載工況的情況下選擇損耗率和磁密之間的關系，以此來幫助進一步的降低配電變壓器的磁密造成的耗能損失。第五，就是要確保配電變壓器在運行過程中，內(nèi)部的組件設備完整性，防止由于配電變壓器內(nèi)部組件不完整而產(chǎn)生的刮蹭現(xiàn)象。

（三）基于溫控技術的電力變壓器設計

大型電力變壓器在長時間工作后，其內(nèi)部組件必然會急劇升溫，一旦溫度超過系統(tǒng)極限值，整個裝置的壽命損耗率將嚴重加劇。通過降低溫度使裝置內(nèi)系統(tǒng)溫度變化值滿足實際運行指標的方法，無疑是提高變壓器使用壽命的有效手段。具體而言，可以從繞組的熱驅(qū)特性入手控制溫度提升點，此過程需要采用“六度原則”，對當前設備進行模擬仿真，使變壓器裝置運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化值精準映射出來，由此計算出不同狀態(tài)下系統(tǒng)溫度與構件磨損度之間的線性關系，再制定與之相匹配的解決措施。除此之外，也可以從外部降溫人手，通過對繞組構件的熱源產(chǎn)生點進行物理降溫，使燃組構件的運行處于安全范圍，從而提升設備的實際使用壽命。這一過程中，應充分考慮構件在裝置中的格局分布情況，靈活采用物理降溫、磁屏蔽技術等，解決因磁通現(xiàn)象所產(chǎn)生的局部發(fā)熱問題。

（四）基于油替技術的電力變壓器設計

對于配電變壓器來講，通過采用油替技術可以幫助其實現(xiàn)絕緣，以此來達到安全使用的目的。根據(jù)我國目前配電變壓器使用的基本標準來看，對于配電變壓器的絕緣類介質(zhì)燃點都在340℃左右，在這種級別下，配電變壓器發(fā)生事故的概率最低。油替技術之所以具備這種特質(zhì)，是因為油氣技術有極高的生物降解率，都是在25天內(nèi)可以完成95%的降解，并且這種物質(zhì)與礦類物質(zhì)相比產(chǎn)生的污染物更小。除此之外，這種技術可以對于配電變壓器當中的電感應磁場進行干預，使得配電變壓器的交流電場呈現(xiàn)出均衡分布的情況。通過大量的實驗觀察發(fā)現(xiàn)這些油替技術的穩(wěn)定性比較好，可以有效地幫助配電變壓器降低損耗。在配電變壓器的具體工作過程中，需要結合不同的工作角度分析配電變壓器不同的工作狀態(tài)，以此來幫助選擇最為合適的油替技術。

四、結語

無論是社會發(fā)展的需求還是環(huán)保理念的普及，都迫使電力變壓器的設計趨向于節(jié)能化發(fā)展。電力變壓器的設計需要著重于節(jié)能環(huán)保的理念，不斷地優(yōu)化功能的設計，從而更好地推動行業(yè)的發(fā)展。