变压器节能设计探析

变压器节能设计探析

陈小威

陈小威

天威保变（秦皇岛）变压器有限公司河北秦皇岛066000

摘要：本论文主要结合变压器本身的结构特点，详细分析其损耗的主要影响因素，有针对性的提出具体的面向变压器的节能减排工艺措施和技术改造方案，以期能够从中找到合理有效的变压器节能措施，并以此和广大同行分享

关键词：变压器；节能；能耗；容量；导线

一、变压器能耗分析

（一）产生能耗的原因分析

变压器的基本工作原理分析如下：变压器主要由一次绕组、二次绕组和铁芯构成，一次绕组和二次绕组分别由不同匝数的线圈绕制而成。当一次绕组通电之后，由于电磁感应的原理而产生磁通，磁通在铁芯内部流动，于是在垂直于磁力线的平面上就会产生感应电动势，这个电动势在铁芯的横截面断面上形成闭合回路并产生涡流。由于涡流的存在，使得变压器的损耗增加，并且使得变压器铁芯发热而使得温度升高，因此由于涡流所产生的损耗称之为铁损；另一种变压器的损耗，它是一次绕组与二次绕组电阻损耗之和，我们也称之为铜损。变压器的损耗主要是由于铁损和铜损造成。据统计，在变压器损耗中，铜损和铁损约占总损耗的70%以上。因此，要实现变压器的节能，首先就必须要降低变压器的损耗，而如何降低铜损和铁损是降低变压器能耗的首要技术问题。

（二）现有节能型变压器介绍

由于传统的高频变压器能耗过高，因此世界各国电力公司都在想方设法降低变压器的能耗损耗，以代替传统的高能耗的变压器。下面两种节能型变压器是目前应用的较多的两种低能耗型变压器。

1、非晶合金铁芯变压器

由于变压器损耗中有相当高一部分的损耗是在铁芯内部产生的，也就是所说的铁损，因此低能耗型变压器首先就是对铁损进行降低处理。非晶合金铁芯变压器的铁芯不是采用传统变压器所用的铁制铁芯，而是采用了非晶合金铁芯，这种铁芯一般按照矩形排列，在旁路柱中流过零序磁通，磁通不经过箱体，不产生发热的结构损耗，使变压器能满足低噪声、低损耗，降低了变压器的铁损，从而降低了变压器的能耗损耗。

2、三相油浸卷铁芯配电变压器

三相油浸卷铁芯配电变压器完全采用了新材料、新结构和独特的新工艺。在三相油浸卷铁芯配电变压器中，铁芯的结构不再是采用传统的叠片式铁芯结构，而是将硅钢带剪成长带，再将其绕制成封闭整体，从截面上看是接近圆形的结构断面，这种铁芯结构填充系数高，并且铁芯经过了退火处理，磁通流经铁芯所造成的空载损耗、空载电流和噪声都较叠片式铁芯的变压器小，从而实现了降低铁芯损耗的目的。

二、变压器节能设计要点

（一）选用低损耗变压器

变压器损耗中的空载损耗即铁损，发生在变压器铁芯叠片内，主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。

最早用于变压器铁芯的材料是易于磁化和退磁的软熟铁，1900年左右，经研究发现在铁中加入少量的硅或铝可大大降低磁路损耗，增大导磁率，且使电阻率增大，涡流损耗降低。经多次改进，用0.35mm厚的硅钢片来代替铁线制作变压器铁芯。

近年来，变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料———非晶态磁性材料，非晶合金铁芯变压器应运而生。这种变压器，其铁损仅为硅钢变压器的1/5，铁损大幅度降低。

我国S7系列变压器是1980年后推出的变压器，其效率较SJ、SJL、SL、SL1系列的高，其负载损耗也较高。20世纪80年代中期又设计生产出S9系列变压器，其价格较S7系列平均高出20%，空载损耗较S7系列平均降低8%，负载损耗平均降低24%。国家已明令在1988年底前淘汰S7、SL7系列变压器，推广应用S9系列变压器。

目前推广应用的是S11系列低损耗变压器。S11型变压器卷铁芯改变了传统的叠片式铁芯结构。硅钢片连续卷制，铁芯无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少了60%～80%，提高了功率因数，降低了电网线损，改善了电网的供电品质。

（二）合理选择变压器容量

1、按变压器效率最高时的负荷率βm来选择容量。现在制造的变压器呈现最高效率时的负荷容量一般为变压器额定容量的50%～60%，平时运行时，负荷率βm在变压器容量的65%左右，亦即空载损耗与负载损耗相等时效率最高而损耗最小。这种变压器的选择方法适用于长期连续运行且负荷变化率较小的情况。

如果仅以βm来计算变压器容量，在某些情况下必将造成容量过大，使用户初期投资大量增加。例如，民用建筑用电的大部分时间实际负荷均小于计算负荷，如果按βm计算变压器容量，则不可能使变压器运行在最高效率βm上。这样，不仅不能节约电能，且运行在低βm值上，消耗更多的电能；所以，此时按变压器的最佳负荷率βm来计算变压器的容量是不合理的。

2、按变压器的年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj计算容量。由于实际负荷总在变化，因而无法精确算出变压器的电能损耗；然而对于某类电力用户，它的最大负荷利用小时数，最大负荷损耗小时数可依据同类用户统计数据来近似计算。配电变压器按照节能负荷率βj计算容量时，其年有功电能损耗率最小。变压器的节能负荷率与年最大负荷损耗时间T有关，T越低，βj越高。根据高层民用建筑的不同功能，T值在2300～4500范围内选取。对于高层写字楼，相当于工业企业的单班制生产，变压器的节能负荷率βj在0.85～0.98之间；对于高层宾馆及高层建筑中以商业为主的大厦，其相当于工业企业的两班制生产，变压器的节能负荷率βj在0.71～0.85之间。

由此可见，按节能负荷率计算变压器的容量，要小于按最佳负荷率所计算的变压器的容量，这样，不但年电能损耗小，且一次性投资省。

（三）采用新型导线

配电变压器的导线可以采用无氧铜，以降低线圈内阻，从而有利于降低配电变压器运行中的铁损和铜损，进而降低配电变压器的运行损耗。例如，目前已经投入使用的高温超导配电变压器，就是采用了超导线材取代了传统的铜芯线材，从而降低了变压器的损耗，同时，还间接提高了变压器的抗短路性能。

（四）优化磁体材料

配电变压器的磁体材料也可以进行改进优化，以降低磁滞损耗。近年来，研究颇热的非晶合金材料，相较于传统的磁体，具有更加优良的磁化和消磁性能，利用这一类材料制作铁芯，不仅可以明显降低配电变压器的铁损，而且还能够降低配电变压器的无功损耗，提高配电变压器的运行经济效益。

（五）改进制造工艺

在制造工艺上实施改进，以降低配电变压器的运行损耗。例如，采用现代计算机控制的数控加工系统，对变压器内部的硅钢片进行加工，从厚度、界面形状等，都完全能够实现精确控制。目前的加工精度已经达到0.18mm，如此薄的硅钢片的应用，大大降低了配电变压器运行过程中的空载损耗。

（六）布置新结构

除了应用新型材料、新型加工工艺等技术手段之外，还可以通过采用新的结构布置形式等手段来降低配电变压器运行中的损耗。目前的研究热点主要集中在两个方面：采用新型绕组结构和采用新型线圈布置方式。

1、采用新型绕组结构，传统的绕组结构具有损耗过大、抗谐波干扰能力差等缺点，通过研究，可以根据不同的配电电压等级选择新型绕组结构，如采用自粘型换位导线来控制漏磁走向，进而实现对绕组损耗的控制，以提高配电变压器的运行效益。

2、采用新型线圈布置方式，根据涡流的流向，合理选用横向或者纵向线圈布置形式，以控制涡流损耗降到最小，从而降低配电变压器的运行损耗。

三、变压器经济运行

变压器经济运行就是变压器在运行中降低有功功率损耗并提高其运行效率（即降低变压器损耗率），以及降低变压器的无功功率消耗并提高变压器电源侧的功率因数。

在电力系统中，变压器经常成组配置，这样，在系统运行中，可根据负荷的变化情况，利用成组变压器的合理调配，达到降低损耗的目的：①成组变压器的运行方式为变压器分列运行方式，这种运行方式按用户的不同用电时间分别配置变压器，能将当前不使用的变压器切除，保持变压器在经济运行状态，从而减少无负载损耗；②成组变压器的运行方式为并列运行方式，这种运行方式可以根据负荷的情况，通过变压器损耗校验，合理安排调整变压器投入容量及数量，以达到运行的变压器均处于经济运行状态，从而减少变压损耗。

在电力负荷中，电动机、感应电炉、电焊机等设备除消耗有功功率，还要消耗相当数量的无功功率，这些设备接在电气回路上，回路的功率因数就要改变。在这样的系统上，加装电力电容器进行无功补偿可提高功率因数。随功率因数的提高，相应地减少线路中的电流，而变压器的铜损是它一二次线圈电阻损耗之和，与负载电流的平方成正比，因此，改善功率因数可降低变压器的损耗。

结语

综上，本论文只是对变压器节能技术改造的一次粗浅尝试，在实际的变压器节能改造中会涉及很多具体的技术问题，这有待于广大电力工作人员的共同努力，才能够最终将变压器节能减排的目标得以实现。

参考文献：

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[2]刘康生，蒋瑞兰.非晶合金铁心变压器的节能特点[J].科技资讯.2012（29）

[3]姚羽.变压器节能运行控制系统开发[J].科技风.2013（11）