煉鋁企業(yè)變壓器節(jié)能分析與評(píng)估

吳子成　姚艷

摘 要：針對(duì)煉鋁企業(yè)變壓器節(jié)能降損的問題，該文從理論上研究分析了基波損耗和諧波損耗的產(chǎn)生機(jī)理，并在PSCAD/EMTDC中搭建了煉鋁企業(yè)的整流模型。主要針對(duì)有載調(diào)壓變壓器和整流變壓器的損耗情況進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)結(jié)果定量或定性地分析了基波損耗源和諧波損耗源。根據(jù)對(duì)煉鋁變壓器節(jié)能潛力的分析與評(píng)估，該文提出了一系列可降低基波損耗和諧波損耗的方案。利用整流模型對(duì)方案進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，變壓器的損耗有明顯降低，可提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：煉鋁企業(yè) 變壓器 節(jié)能 諧波

中圖分類號(hào)：TQl75.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（a）-0089-02

1 基波損耗

1.1 基波銅耗

變壓器在運(yùn)行時(shí)，繞組內(nèi)通過電流，會(huì)產(chǎn)生銅損，除基本繞組直流損耗外，還包括附加損耗?；俱~損耗是線圈的直流電阻所引起的損耗；而附加銅損耗則包括由于漏磁場引起的集膚效應(yīng)使導(dǎo)線有效電阻變大而增加的銅損耗，多根導(dǎo)線并繞時(shí)的內(nèi)部環(huán)流損耗，以及電磁場的結(jié)構(gòu)件、油箱壁等處引起的渦流損耗、環(huán)流損耗和雜散損耗。它們是引起變壓器鐵心發(fā)熱的重要因素。

在測量方面，雜散損耗總是與其他損耗成分混合在一起，因而，很難直接測量雜散損耗，也難于準(zhǔn)確將構(gòu)件上的損耗從總損耗中分離開，顯然，更不可能通過測量了解雜散損耗的詳細(xì)分布，無法把總損耗中每一部件的損耗分離開。

1.2 基波鐵耗

鐵耗是指發(fā)生在鐵心中的損耗，鐵心被外加勵(lì)磁磁化，在磁化過程中產(chǎn)生了能量損耗。它導(dǎo)致變壓器和電機(jī)效率降低，鐵心溫度升高，從而限制了出力的提高。鐵耗包括鐵芯材料的磁滯損耗、渦流損耗以及附加損耗幾部分。

（12）

3 仿真計(jì)算

3.1 煉鋁系統(tǒng)仿真模型

某鋁廠整流所供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)有6臺(tái)整流機(jī)組投入運(yùn)行。每個(gè)機(jī)組有1臺(tái)調(diào)壓變壓器、3臺(tái)移相變壓器和2臺(tái)整流變壓器，每臺(tái)整流變壓器接兩個(gè)反并聯(lián)整流橋，6臺(tái)機(jī)組網(wǎng)側(cè)分別移相±12.5°、±7.5°±2.5°，每臺(tái)機(jī)組之間移相5°，意味著每隔5°就有一個(gè)橋臂的整流元件切換導(dǎo)通，因此6臺(tái)運(yùn)行時(shí)輸出72脈動(dòng)的直流電流。整流單元為等值12脈波整流電路。對(duì)于整流變單機(jī)組±2.5°、±7.5°、±12.5°的移相要求，可以通過更改單相變壓器變比，即改變二次側(cè)線電壓大小，從而改變移相角度。

3.2 損耗計(jì)算

利用變壓器空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)的原理，得到有載調(diào)壓變壓器和整流變壓器的繞組電阻參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)公式（9）即可得出兩種變壓器的諧波繞組電阻參數(shù)。

由仿真數(shù)據(jù)得出有載調(diào)壓變壓器和整流變壓器兩側(cè)繞組的各次電流值，考慮到計(jì)算的方便性，高于15次的且小于1A的諧波電流均忽略不計(jì)，這里不做出一一例舉。

計(jì)算得變壓器的基波損耗如表2所示，諧波損耗[6-7]如表3所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可見，由于諧波的注入大大增加了變壓器的損耗。

4 節(jié)能分析與評(píng)估

4.1 損耗源分析

變壓器的基波損耗包含兩部分，銅耗和鐵耗。

基波銅耗與變壓器兩側(cè)繞組電阻有關(guān)，減小銅耗繞組可降低其基波銅耗。繞組渦流損耗與導(dǎo)線厚度、漏磁密峰值、電阻率、繞組匝數(shù)和高度有關(guān)，減小它們的值均可降低繞組渦流損耗。而引線損耗和雜散損耗與變壓器的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)。

基波鐵耗由基波磁滯損耗、基波渦流損耗和附加鐵損決定。基波磁滯損耗與鐵心材料和尺寸有關(guān)?；u流損耗不僅與鐵心材料和尺寸有關(guān)，還與疊片厚度有關(guān)。而附加鐵損主要與變壓器的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝等有關(guān)。

鋁廠的諧波源通常為[8]：

（1）變壓器：分為有載調(diào)壓變壓器、移相變壓器和整流變壓器。

（2）整流裝置：鋁廠整流系統(tǒng)由整流機(jī)組組成，會(huì)生多種高次特征諧波與非特征諧波。

（3）非線性負(fù)荷：鋁廠內(nèi)部除線性負(fù)荷外，還包括變頻裝置等大量非線性負(fù)荷，如軋機(jī)、電動(dòng)機(jī)車等電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速設(shè)備。其產(chǎn)生的諧波情況非常復(fù)雜。

（4）背景諧波：背景諧波一方面來自220 kV供電網(wǎng)的諧波電壓的滲透，另一方面來自整流供電網(wǎng)內(nèi)部其它諧波源，如發(fā)電機(jī)升壓變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁諧波電流；由于電網(wǎng)元件參數(shù)不完全對(duì)稱引起負(fù)序電流，在其發(fā)電機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生逆向旋轉(zhuǎn)磁場，也可能產(chǎn)生一部分諧波電流。

4.2 節(jié)能評(píng)估

降低煉鋁變壓器的基波損耗可從變壓器的結(jié)構(gòu)、材料和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面進(jìn)行研究分析：如開發(fā)新型低損耗變壓器，尤其是非晶合金變壓器[9]，以及開展變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等。

由上述仿真數(shù)據(jù)可知，變壓器兩側(cè)繞組上5、7和11次諧波電流較大，因此其諧波損耗的節(jié)能潛力很大。

由仿真數(shù)據(jù)得出，加入無源濾波器后變壓器諧波損耗的降低情況如表4所示，可見諧波降損的節(jié)能潛力巨大。

4.3 降損措施

降低銅耗的主要途徑是選用電阻率較低的導(dǎo)線材料，另外通過提高變壓器保護(hù)水平，適當(dāng)降低阻抗電壓也可以減少電阻損耗。而降低附加銅耗就要降低漏磁場強(qiáng)度等。降低鐵耗的主要途徑是選用導(dǎo)磁率高和厚度薄的電工鋼片，還應(yīng)改進(jìn)鐵心疊片夾緊方式以及鐵心和絕緣結(jié)構(gòu)來提高鐵心填充系數(shù)，盡可能縮小鐵心尺寸等[10]。降低變壓器的諧波損耗，可采取抑制諧波的措施減小諧波電流，從而降低諧波損耗：多相整流技術(shù)、無源濾波器、有源濾波器和混合濾波器等[11]。

5 結(jié)語

論文為了研究分析煉鋁企業(yè)變壓器的節(jié)能問題，通過對(duì)損耗的理論分析，并利用PSCAD建立電解鋁系統(tǒng)的仿真模型，結(jié)合變壓器的節(jié)能潛力，研究得出煉鋁變壓器的基波損耗主要與變壓器本身的特性有關(guān)，而諧波損耗則是由于煉鋁系統(tǒng)中大量諧波電流導(dǎo)致的，并進(jìn)一步提出了降損方案：煉鋁變壓器的基波降損可通過改善變壓器的結(jié)構(gòu)、材料和制作工藝等方面來實(shí)現(xiàn)，而諧波降損可通過抑制煉鋁系統(tǒng)的諧波，采取加無源濾波器等措施來實(shí)現(xiàn)。

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