秦兆杰,趙立勝,李世杰,安衛(wèi)正,張 靜

(河北電力裝備有限公司,河北 邯鄲 056000)

0 引言

降壓式SVG中的變壓器是SVG主機與供電電網(wǎng)連接溝通的主要路由,主要承擔降壓和為回路提供電感兩種工作,其空載損耗的高低對于整機在發(fā)電側(cè)的無功補償有重大影響[1]。鐵芯作為變壓器的核心部件之一,在電能傳遞過程中扮演著傳導磁通、減少損耗的重要角色,其空載損耗主要為磁滯、渦流和鐵芯附加三類[2]。本文著重探討鐵芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法對于變壓器空載損耗的影響,通過對比常規(guī)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的性能差異,展示了優(yōu)化設(shè)計在提高變壓器效率和節(jié)約能源方面的潛力。

1 鐵芯結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化原理

1.1 結(jié)構(gòu)分析

空載電流在變壓器繞組上產(chǎn)生的電阻損耗和絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生的損耗很小[3],所以鐵芯疊片的損耗是變壓器空載損耗的主要組成部分[4]?？蛰d損耗與硅鋼片的性能參數(shù)以及磁通截面積有密切關(guān)系[5]。鐵芯的長度越長,鐵芯疊片間的搭接面積越大,主磁通的傳導效果越差,空載損耗也越大[6]。因此,合理的改變鐵芯結(jié)構(gòu),在保證鐵芯機械強度和繞組線圈的滿足要求的情況下,適當?shù)販p少硅鋼片的用量對于減少損耗、提高主磁通傳導效率有至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)的鐵芯設(shè)計多采用多級多片矩形硅鋼片堆疊組成的“類長圓形”芯柱截面,以最大程度增加磁通面積,增強磁通密度,從而減少損耗。

將鐵芯堆疊結(jié)構(gòu)簡化定為主級、次級、次末級和末級等4級,同時定義“窗高”為上鐵軛下表面最低面到下鐵軛上表面最高面,如圖1所示。

圖1 常規(guī)鐵芯簡圖

1.2 優(yōu)化原理

優(yōu)化的核心在于通過調(diào)整鐵芯結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)性能的提升。

變壓器空載損耗的計算公式如下:

P0=KP0×ptx×Gtx

(1)

式中:P0為空載損耗(W);KP0為空載損耗工藝附加系數(shù);ptx為鐵芯硅鋼片單位損耗(W/kg);Gtx為鐵芯硅鋼片總重量(kg)。

由式(1)可知,工藝系數(shù)KP0為工程經(jīng)驗數(shù)據(jù),可以視為定值;在硅鋼片型號確定后,單位損耗ptx也是一個定值,因此在變壓器設(shè)計中,鐵芯重量的優(yōu)化空間相對較大[6]。在鐵芯的各個參數(shù)中,芯柱截面積對磁通量的影響較大,為保證變壓器容量、變比等參數(shù)不變,鐵芯的截面積和線圈容量必須保持不變,即主級“窗高”保持不變。因而針對芯柱不同級別的堆疊層,提出了優(yōu)化方案:通過降低上鐵軛主級以外的部分堆疊層,對稱提高主級以外下鐵軛的部分堆疊層,以實現(xiàn)芯柱在部分截面上高度的減少[7]。此外,次級和次末級芯柱部分也可通過類似的方法進行優(yōu)化,優(yōu)化后可通過去掉芯柱的一部分來降低鐵芯重量[8]。

2 優(yōu)化的方法流程與仿真驗證

2.1 優(yōu)化方法流程

基于上述原理,提出鐵芯優(yōu)化方法流程如下:①根據(jù)要求確定變壓器初始設(shè)計參數(shù),主要包括鐵芯的級別和幾何尺寸,初步確定了鐵芯的重量和堆疊方式。②對鐵芯的既有堆疊方式做優(yōu)化調(diào)整。在保證上下鐵軛截面積不變的情況下,通過對芯柱主級堆疊層以外的部分進行調(diào)整,經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后的上下鐵軛堆疊層的結(jié)構(gòu),降低了芯柱高度。③對芯柱次級和次末級的堆疊層部分也采用類似的策略優(yōu)化。特別注意的是在設(shè)計優(yōu)化過程中,要保證磁通面積的不變,以滿足變壓器的最終性能要求。優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化流程圖

優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對比如圖3和圖4所示。

圖3 常規(guī)鐵芯及優(yōu)化后鐵芯結(jié)構(gòu)對比

圖4 常規(guī)芯柱及優(yōu)化后芯柱對比

2.2 仿真與實例結(jié)果分析

按照優(yōu)化后的鐵芯結(jié)構(gòu),利用ANSYS EM軟件建立仿真模型,模型三維圖如圖5所示。選擇鐵芯材料,配置激勵參數(shù)后開始仿真,優(yōu)化前的鐵芯空載損耗如圖6所示。優(yōu)化后鐵芯損耗如圖7所示。

圖5 變壓器三維模型

圖6 優(yōu)化前鐵芯空載損耗

圖7 優(yōu)化后鐵芯空載損耗

將圖6與圖7的鐵芯損耗數(shù)據(jù)導出[9],選取部分典型的時間節(jié)點處的數(shù)據(jù)做對比計算,結(jié)果見表1。

表1 鐵芯損耗仿真數(shù)據(jù)表

同時對比鐵芯及線圈的磁感圖,如圖8所示。通過表1和圖8可以看出,在變壓器鐵芯和線圈磁通不變的情況下,鐵芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化降低了變壓器鐵芯空載損耗[10]。以容量為3 500 kVA的變壓器為例,通過實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),對比了常規(guī)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)在重量和空載損耗方面的性能差異,結(jié)果見表2。優(yōu)化后的變壓器鐵芯重量相對減少了26 kg/臺,空載損耗也相應(yīng)降低了31 W。

圖8 變壓器磁力圖

3 結(jié)論

本研究驗證了對變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效地提高了變壓器效率和降低了損耗。通過調(diào)整鐵芯的結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)重量的減少和空載損耗的降低,從而提高變壓器的效率[11],而降壓式SVG中用到的變壓器處于電網(wǎng)與無功功率調(diào)節(jié)核心的能量交換節(jié)點,變壓器空載損耗的降低,也提高了整機的工作效率。