節(jié)能技術(shù)在電力變壓器設(shè)計中的應(yīng)用

穆占杰

摘??要：隨著電力變壓器運行壓力的不斷增加，電力變壓器的內(nèi)部裝置會出現(xiàn)不同程度的耗損，使其運行效率降低，還會增加耗能，造成更大的經(jīng)濟負擔。所以，有必要在電力變壓器設(shè)計中應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，一方面，降低耗損，延長電力變壓器使用壽命；另一方面，降低耗能，減少污染，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。文章簡要分析了節(jié)能技術(shù)在電力變壓器設(shè)計中應(yīng)用的思路，總結(jié)了節(jié)能技術(shù)在電力變壓器設(shè)計中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù)???電力變壓器???設(shè)計???新型節(jié)能材料??低耗損工藝

中圖分類號：TM41?????????????文獻標識碼：A

Application?of?Energy-Saving?Technology?in?the?Design?of

Power?Transformers

MU?Zhanjie

（Dalian?Kaire?Branch，?Northeast?Electric?Power?Co.，?Ltd.，State?Power?Investment?Group，?Dalian，?Liaoning?Province，116000?China）

Abstract：?With?the?continuous?increase?of?the?operating?pressure?of?power?transformers，?the?internal?devices?of?power?transformers?will?suffer?from?different?degrees?of?loss，?which?will?reduce?operating?efficiency，?increase?energy?consumption?and?cause?greater?economic?burden.?Therefore，?it?is?necessary?to?apply?energy-saving?technology?in?the?design?of?power?transformers，?which?on?the?one?hand?reduces?consumption?and?prolongs?the?service?life?of?power?transformers，?and?on?the?other?hand?reduces?energy?consumption，?reduces?pollution，?and?achieves?energy?conservation?and?environment?protection.?This?paper?briefly?analyzes?the?idea?of?the?application?of?energy-saving?technology?in?the?design?of?power?transformers，?and?summarizes?the?specific?application?of?energy-saving?technology?in?the?design?of?power?transformers.

Key?Words：?Energy-saving?technology;?Power?transformer;?Design;?New?energy-saving?materials;?Low-loss?process

電力變壓器由于承載長時間的運行壓力，不僅會出現(xiàn)不同程度的耗損情況，還會造成噪聲污染、能耗量高、局部溫度過熱等方面的問題。此類問題的出現(xiàn)既會減少電力變壓器的使用壽命，還會影響電力變壓器正常的工作效率以及人們的正常生產(chǎn)和生活。因此，有必要在電力變壓器設(shè)計中應(yīng)用節(jié)能技術(shù)。

1??節(jié)能技術(shù)在電力變壓器設(shè)計中應(yīng)用的思路分析

1.1??選擇新型節(jié)能材料

1.1.1?使用新型導(dǎo)線

在進行電力變壓器的線路設(shè)計時可以選擇無氧銅材料，無氧銅材料的最大優(yōu)點就是可以輔助電力變壓器降低線圈內(nèi)阻。內(nèi)阻降低之后，電力變壓器的鐵損和銅損都會降低，也就達到了降低損耗的目的。現(xiàn)階段，我國正在使用的高溫超導(dǎo)電力變壓器就是采用了超導(dǎo)型線圈材料，這種材料可以有效降低或者避免電力變壓器出現(xiàn)短路情況，也能幫助電力變壓器減少損耗。

1.1.2?優(yōu)化磁體材料

對電力變壓器中使用的磁體材料進行升級也能實現(xiàn)節(jié)能，降低耗損。比如，現(xiàn)階段在電力變壓器里應(yīng)用到的非晶合金材料，就能很好地輔助電力變壓器消磁，節(jié)能降損效果明顯且可靠。

1.2??應(yīng)用低耗損工藝

1.2.1?改進制造工藝

除了使用材料選擇節(jié)能材料之外，也可以考慮從制作工藝上做出優(yōu)化和提升。比如：現(xiàn)階段，應(yīng)用比較廣泛的就是靠計算機系統(tǒng)控制的數(shù)控加工技術(shù)。數(shù)控加工系統(tǒng)能極大程度上便利設(shè)計人員對電力變壓器內(nèi)部適用的硅鋼片進行加工，不僅操作更加智能、便捷，所制作硅鋼片的尺寸、厚度、形狀等方面的參數(shù)都更加精準。有數(shù)據(jù)記載，經(jīng)數(shù)控技術(shù)加工的硅鋼片精度可以達到0.18㎜。數(shù)控智能加工技術(shù)的應(yīng)用可以很大程度上降低電力變壓器運行過程中的空載消耗[1]。

1.2.2?優(yōu)化布局結(jié)構(gòu)

設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局一定程度上也可以實現(xiàn)節(jié)能降損。目前階段，新結(jié)構(gòu)的研究焦點主要是在新型繞組結(jié)構(gòu)和新型線圈布置方式兩方面。優(yōu)化新型繞組結(jié)構(gòu)是由于傳統(tǒng)繞組結(jié)構(gòu)的抗諧波干擾性能較差而且耗損量大，從這一點考慮，可以根據(jù)不同等級的電力變壓器設(shè)計不同的繞組結(jié)構(gòu)。具體操作，就是借助自黏型的換位導(dǎo)線實現(xiàn)對電力變壓器漏磁斗象的全方位控制，借助靈活控制幫助電力變壓器減少繞組耗損，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。新型繞組結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅可以明顯提升電力變壓器自身的運行效益，還能進一步保障電力變壓器在運行過程中的安全性和穩(wěn)定性。新型線圈布置方式主要研究方向是渦流的流向，以渦流為基準，電力變壓器的線圈的布置可以選擇橫向方式，也可以選擇縱向方式，這種線圈布置方式能明顯降低電力變壓器在運行過程中的耗損。

1.3??使用經(jīng)濟型運行方式

從運行方式的角度考慮，經(jīng)濟型的運行方式更能提升電力變壓器的節(jié)能水平。經(jīng)濟型運行方式的研究重點應(yīng)該放在電力變壓器的使用材料和工藝上。比如：與老式的電力變壓器相比，無功補償?shù)姆绞?，更能實現(xiàn)節(jié)能。電力變壓器無功補償?shù)膶崿F(xiàn)路徑主要有以下幾個方面：首先，無功變壓器的集中補償。它的實現(xiàn)方式是將電力變壓器當中應(yīng)用到的聯(lián)電容器安裝到高低壓線路當中。其次，電力變壓器的分組補償。分組補償，就是將電力變壓器當中的并聯(lián)補償電容器安裝到電力變壓器低壓側(cè)或者用戶車間當中的配電屏中。無功補償?shù)倪\行方式，不僅能提升電力變壓器節(jié)能的性能，還能更大程度上提升電力變壓器的配送功率[2]。

2??節(jié)能技術(shù)在電力變壓器設(shè)計中的具體應(yīng)用

2.1??從節(jié)能理念出發(fā)的電力變壓器降噪技術(shù)設(shè)計

電力變壓器尤其是大型的電力變壓器在運行過程中產(chǎn)生的巨大噪音，不僅會給人們的正常生產(chǎn)和生活造成影響，還會一定程度上抬高電力變壓器的能耗。首先，從噪音的產(chǎn)生來考慮，電力變壓器的噪音主要來自于兩方面，一方面是機械設(shè)備運行過程中的機械噪音，另一個方面是冷卻噪音。機械噪音的產(chǎn)生是因為機械設(shè)備內(nèi)部的鋼片會和機械設(shè)備的內(nèi)部架構(gòu)產(chǎn)生共振，因共振而引發(fā)噪音。比如：鋼片在電力變壓器當中磁力作用下，承托鋼片的墊腳機構(gòu)會產(chǎn)生振動傳輸力，這種傳輸力經(jīng)介質(zhì)傳播之后，就會發(fā)出很大的聲音，這也是人們常聽到的電力變壓器的機械噪音。冷卻噪音的形成主要是因為承托零部件的降溫風扇以及電力變壓器當中的冷卻機構(gòu)也會存在振動現(xiàn)象，振動頻率不同聲音不同，當震動頻率超過固有基值，就會造成噪聲污染，設(shè)備也會發(fā)生周期性的、無休止的震動。

從節(jié)能理念出發(fā)的降噪技術(shù)研究設(shè)計應(yīng)該重點從以下幾個方面考慮。第一，既然是電力變壓器內(nèi)部的鋼片與結(jié)構(gòu)框架碰撞會發(fā)出噪聲，那么可以把研究點放在鋼片上，可以更換原有的鋼片，將傳播介質(zhì)的密度增加，降低鋼片裝置受電磁的影響程度。這樣裝置的穩(wěn)定性就更強，共振情況就可以減少。比如：可以選擇使用具備導(dǎo)磁能力的介質(zhì)材料，電磁影響下，材料的伸縮系數(shù)低，結(jié)構(gòu)裝置的穩(wěn)定性就強，共振問題就可以避免，不產(chǎn)生共振，噪音自然會大幅度減少。第二，將電力變壓器中的電磁結(jié)構(gòu)作為重點研究對象。因為受磁場的影響，配件在磁力的作用下發(fā)生振動，產(chǎn)生噪聲。如果優(yōu)化磁場結(jié)構(gòu)，可以通過貼心結(jié)構(gòu)的縱向壓縮，將鐵芯的震動與系統(tǒng)噪聲隔離開。降低系統(tǒng)受磁場影響所產(chǎn)生共振噪聲的可能。也可以改變電力變壓器內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的磁通密度，提升零部件的磁密寬度，讓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在面對頻率振動時頻率容量值提升，降低自身受頻率振動的影響程度，產(chǎn)生噪聲的可能性也會明顯減少。第三，從產(chǎn)生振動的零部件考慮，可以將可能產(chǎn)生振動的零部件進行隔離，切斷振動零部件和噪音源之間的聯(lián)系，在噪音傳播過程中起到阻尼作用，降低噪音傳播。例如：在比較容易共振的鋼板、鐵芯、箱體結(jié)構(gòu)等部位安裝橡膠墊片，提升這些零部件和裝置的抗振效果。有效組織噪聲傳播，實現(xiàn)降噪。也可以進一步、全方位地對電力變壓器內(nèi)部的零部件裝置進行研究和檢查，確定電力變壓器內(nèi)部哪些零部件和裝置會產(chǎn)生共振噪聲，或者傳播噪音，根據(jù)不同的噪音源在傳播過程中的浮動系數(shù)可以選擇性實現(xiàn)阻尼，針對性地采取降噪措施，通過降噪實現(xiàn)節(jié)能[3]。

2.2??從節(jié)能理念出發(fā)的電力變壓器降損技術(shù)設(shè)計

即使是同一臺電力變壓器，不同運行狀態(tài)所產(chǎn)生的耗能也是不相同的。比如，很多耗損問題的出現(xiàn)都是由于電力變壓器在運行過程中工序應(yīng)用不當或者操作不規(guī)范引起的。機械設(shè)備上常常出現(xiàn)的零部件耗損、電磁耗損、架構(gòu)耗損等等都可能是以上原因?qū)е隆，F(xiàn)階段的節(jié)能降損技術(shù)主要是針對兩種運行工況：一種是空載，一種是負載?？蛰d情況下：空載運行過程中的降損設(shè)計可以從改變鐵芯的連接形式著手，必須確定鐵芯介質(zhì)的導(dǎo)磁方向是統(tǒng)一的，因為反方向?qū)Т啪褪菚黾雍膿p。連接縫的對接角度最好是45°，因為研究顯示，45°的連接縫角度與90°的連接縫角度相比能降低能耗2.6%。使用五級接法焊接鐵芯焊縫，進一步增強零部件之間的融合程度，避免因融合不佳造成耗損提升。使用黏帶法對加緊零部件進行捆綁，避免因過度擊穿出現(xiàn)零部件變形，造成嚴重損耗。磁通密度選擇，既要考慮經(jīng)濟成本，又要考慮線性關(guān)系，要保證在電力變壓器空載運行情況下，設(shè)備所呈現(xiàn)的損耗率與磁密達到1∶1.252的線性關(guān)系，降低磁密影響。同時，在進行零部件的制造過程中，必須要保證零部件的完整性，保證零部件表面沒有刮損，避免因再次受力問題后續(xù)導(dǎo)致零部件再次變形，內(nèi)應(yīng)力畸變。負載情況下：可以優(yōu)化線圈繞組結(jié)構(gòu)，通過增大線圈的流通量，保證線圈所產(chǎn)生的磁通力與整個電力變壓器系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁通力存在一個均衡狀態(tài)。借助磁力的分化效果，可以避免電力變壓器在運行過程中局部裝置出現(xiàn)過熱的情況。也因為在線圈安全結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，會因電壓屬性不同繞組結(jié)構(gòu)性能也會存在差異。所以，要按照電力變壓器的實際結(jié)構(gòu)情況采取針對性的改進措施，其主要目的是提升系統(tǒng)的傳輸性能。為進一步提升降損設(shè)計方案的可操作性，可以借助現(xiàn)代化軟件對變壓裝置進行參數(shù)界定，在仿真模擬的狀態(tài)下完成各種不同荷載工況的測試，進一步確定機構(gòu)部件的磁力系數(shù)，然后通過調(diào)整部件位置，影響漏磁流量和線感電流，分析出不同傳輸狀態(tài)下，構(gòu)件的不同導(dǎo)磁能力，將通過模擬測試所得出的參數(shù)值與設(shè)計參數(shù)值進行比較，如果差異在浮動范圍之內(nèi)，說明設(shè)計方案具可操作性。如果差異超過了浮動范圍，說明設(shè)計存在不可操作性，需對設(shè)計方案進一步更改和優(yōu)化，待方案通過測試，才可以投入使用，才能真正達到降損的目的，同時提升降損設(shè)計參數(shù)的精準程度[4]。

2.3??從節(jié)能理念出發(fā)的電力變壓器溫控技術(shù)設(shè)計

電力變壓器長時間處于運行狀態(tài)就會出現(xiàn)內(nèi)部局部部位溫度升高的情況。如果溫度升高超過系統(tǒng)極限值，必然會增強電力變壓器的壽命損耗，縮短電力變壓器的使用時長。重點分析電力變壓器內(nèi)部出現(xiàn)升溫情況的裝置，基本上是組部件升溫或者油體升溫兩種情況。針對電力變壓器裝置溫度升高的問題，肯定是要合理控溫，才能保證電力變壓器在運行過程中各組件運行正常，性能穩(wěn)定，才能延長電力變壓器的使用壽命。所以，設(shè)計過程中，可以重點關(guān)注熱阻自身的驅(qū)熱性能，根據(jù)熱阻的驅(qū)熱性能對溫度提升空間進行控制。比如，可以使用“六度原則”對當前運行設(shè)備進行模擬仿真測試。這里的六度原則具體是指電力變壓器裝置內(nèi)部的零部件的絕緣老化率。有研究顯示，如果繞組部件的溫度在85℃～135℃之間，溫度每提升5℃，內(nèi)部零構(gòu)件的絕緣老化速率就會提升一倍。模擬仿真測試可以模擬出電力變壓器裝置在運行過程中的溫度數(shù)值變化，通過這些模擬數(shù)據(jù)可以了解到，在不同運行狀態(tài)下，溫度系統(tǒng)與零構(gòu)件磨損之間的關(guān)系，然后再根據(jù)具體情況制定出相應(yīng)的溫控解決措施，借助模擬測試，也可以進一步得出，不同運行狀態(tài)下，電力變壓器裝置在溫度極限值時所能達到的最大運行速率。通過對這些數(shù)值的了解，就可以更科學(xué)地實現(xiàn)控溫。并且，構(gòu)件裝置降溫也可以使用外部降溫的方法。比如：針對構(gòu)件裝置的熱源位置采取物理降溫，令運行構(gòu)件的溫度值控制在運行參數(shù)范圍之內(nèi)，從而保證電力變壓器運行的穩(wěn)定性，延長使用壽命。如果是較大型的電力變壓器控溫，還要重點考慮構(gòu)件裝置的內(nèi)部構(gòu)造和格局，除了可以采用物理降溫的方法之外，還可以使用磁屏技術(shù)，對電力變壓器內(nèi)部的各種金屬構(gòu)件的磁感應(yīng)進行屏蔽，這種情況可以有效避免因磁通現(xiàn)象導(dǎo)致的局部溫度過高的情況出現(xiàn)。

2.4??從節(jié)能理念出發(fā)的電力變壓器油替技術(shù)設(shè)計

油替就是用絕緣類介質(zhì)替代礦物質(zhì)油體。油替的主要目的就是增強電力變壓器運行過程中的安全性和環(huán)保性。從性能上講，絕緣介質(zhì)的燃點可以高至250℃，絕緣介質(zhì)的等級可以達到K2級別，絕緣介質(zhì)的這些性能和特質(zhì)可以保證將電力變壓器裝置在運行過程中出現(xiàn)事故的概率降到最低。同時，絕緣介質(zhì)的生物降解率相比礦物質(zhì)油體要高很多，25天內(nèi)就可以實現(xiàn)96%的降解。從這一方面來講，絕緣介質(zhì)比礦物質(zhì)油體的污染性更小，環(huán)保性能更高。同時，絕緣介質(zhì)與電力變壓器內(nèi)部裝置的絕緣介質(zhì)相比，它們的絕緣系數(shù)會更相近，電力變壓器裝置運行過程中，疏導(dǎo)電流所產(chǎn)生的電感應(yīng)磁場，在均勻介質(zhì)的影響下，電流磁場分布也會均衡，性能的進一步穩(wěn)定，都可以作用于電力變壓器使用壽命的提升。有研究顯示，絕緣介質(zhì)當中一種天然酯絕緣油的穩(wěn)定性是最高的，并且兼容性也很強，它的運用可以明顯降低電力變壓器裝置在運行過程中的耗損系數(shù)。但是這種介質(zhì)也有一定的劣勢，就是它的吸水性很強，所以，電力變壓器在運行過程中，系統(tǒng)的需水量會直線上升，水量增多，運行過程中存在的雜質(zhì)就會增多，雜質(zhì)的存在會進一步降低機械設(shè)備的運行功率。絕緣介質(zhì)的油體燃點很高，在同等運行情況下，絕緣介質(zhì)需要更多的熱量驅(qū)動，這一情況對設(shè)備運行的能源消耗需求量會更大。所以，基于技能理念出發(fā)的電力變壓器油替技術(shù)的設(shè)計，既要從現(xiàn)實情況出發(fā)，又要多角度考慮設(shè)備在不同狀態(tài)下的運行工況，針對具體的運行情況，再對油替技術(shù)進行合理化選定，才能真正作用于電力變壓器節(jié)能，為電力變壓器節(jié)能降耗提供技術(shù)支持[5]。

2.5??從節(jié)能理念出發(fā)的電力變壓器合理選擇

根據(jù)我國目前關(guān)于變壓器的相關(guān)法律法規(guī)和標準規(guī)范規(guī)定，S13以上的變壓器設(shè)備才屬于節(jié)能型的變壓器設(shè)備系列。并且節(jié)能型變壓器設(shè)備的要求是：電氣能效強度等級、電氣能效強度限值等等方面的各項指標、參數(shù)和性能都要達到國家所規(guī)定的技能技術(shù)標準。在目前多種類型的節(jié)能電力變壓器中，超導(dǎo)節(jié)能變壓器和非晶態(tài)節(jié)能變壓器是節(jié)能效果較為理想的節(jié)能變壓器設(shè)備。非晶體合金是指高溫鋼水在極短距離內(nèi)實現(xiàn)溶解降溫之后，它的金屬分子結(jié)構(gòu)在固化劑的影響下會迅速溶解成無序的電子排列，最后產(chǎn)生一種非晶體合金材料，這種材料不僅結(jié)構(gòu)特別，軟磁性也很突出，用非晶體合金材料加工制造的機械設(shè)備，能直接降低電能消耗。同時，與傳統(tǒng)的合金材料相比，非晶體合金材料它的空載功率降耗一般能達到60%～80%之間，可見，節(jié)能效果是非常明顯的。當然，非晶體材料的經(jīng)濟成本也更高，在實際節(jié)能設(shè)計選擇過程中不僅要考慮到節(jié)能性能問題還要考慮到經(jīng)濟成本問題[6]。

3??結(jié)語

綜上所述，節(jié)能、環(huán)保是當前社會重點研究的焦點之一。電力事業(yè)能耗量大，污染源多，也要尤其重視節(jié)能環(huán)保問題。電力變壓器節(jié)能技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用要重點從材料、工藝、構(gòu)造等方面做出改進和優(yōu)化。一方面，降低電力變壓器裝置在運行過程中的能耗率，實現(xiàn)節(jié)能；另一方面，增強電力變壓器在運行過程中的穩(wěn)定性，延長電力變壓器裝置使用壽命。為進一步提升電力變壓器節(jié)能效果，不僅要從技術(shù)方面著手，引進和引用先進的節(jié)能技術(shù)，還要綜合考慮電力變壓器裝置在運行過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)的模擬測試，在具備可行性的基礎(chǔ)上，保證將電力變壓器運行過程中的能耗降到最低，最大程度發(fā)揮電力變壓器的應(yīng)用價值。

參考文獻

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