节能型电力变压器的分析与应用

节能型电力变压器的分析与应用

作者：马胜利

来源：《价值工程》2012年第27期

摘要： 三维立体卷铁心变压器与传统铁心变压器相比，无论在空载损耗、负载损耗方面，还是在谐波、噪声等方面均有较大幅度的改善。

Abstract： Compared with traditional iron core transformer， 3D roll iron core transformer has improved great not only in no—load loss， load loss， but also in harmonic and noise. 关键词： 变压器；三维立体卷铁心；铁芯结构；绕组结构；性能比较；经济分析 Key words： transformer；3D roll iron core；iron core structure；winding structure；performance comparison；economic analysis

中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）27—0298—03 1 概述

我国电力消费能源在一次能源中约占40%，发电供热用煤约占全国煤炭消费量的50%，主要污染物二氧化硫的排放量也要占50%左右，电力行业是节约能耗和污染物减排的重要领域，变压器在整个电力系统中是一种广泛应用的电气设备，通常情况下，从发电、供电到用电，需要经过3～5次的变压过程，其自身需要产生有功功率和无功功率消耗。目前我国在广义电力系统（包括发、供、用电）运行中，变压器总的电能损耗占总发电量的10%左右，大约1100亿kWh，数额巨大。

2006年1月9日国家发布，2006年7月1日正式实施了GB20052—2006《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》标准，标准规定了配电变压器的能效限定值和配电变压器目标能效限定值，同时规定配电变压器目标能效限定值自本标准实施之日起4年后开始实施。 2008年4月24日国家发布、2008年12月1日实施GB/T10228—2008《干式电力变压器技术参数和要求》标准，降低了干式变压器的空载损耗和负载损耗，并将包封干式变压器的技术参数和非包封干式变压器技术参数合并为统一技参数。

因此，大力推行节能型变压器，是实现节能减排的重要途经，在全社会的节能降耗体系中占有举足轻重的地位。

本文将就三维立体卷铁心节能干式电力变压器作一简单的分析，力求在节能降耗领域发挥出其应有的作用。

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2 变压器结构

干式电力变压器定义：

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。干式变压器采用空气作为冷却介质，利用空气流动为变压器降温。是一种电气强度、机械强度、耐热强度很高的电力变压器。适用于各种工业与民用应用场所。

2.1 传统干式电力变压器结构 变压器铁芯采用高导磁性、低能耗，冷轧晶粒取向的高品质硅钢片制造，采用45°全斜接缝，多级步进叠接结构。铁轭采用无孔夹紧结构，芯柱采用绝缘带绑扎，铁芯表面采用特殊树脂密封以防潮防锈。要求铁芯尽量降低空载损耗、空载电流及噪音。

变压器的高压侧绕组采用铜线和铜箔绕制，采用层式结构。层间为多层绝缘薄膜，内外缠绕多层玻璃纤维网格布增强，在高真空状态下浇注添加石英粉填料的环氧树脂，经固化形成密封整体。局部放电量不大于5pC。低压侧绕组采用铜箔绕制，层间采用半固化绝缘材料，引线母排与铜箔用自动气体保护焊接，内外缠绕玻璃纤维网格布增强，在高真空状态下浇注添加石英粉填料的环氧树脂或端部填充环氧树脂，经固化形成密封整体。高、低压线圈均采用直接绕制工艺，要求铁芯与高、低压线圈三者之间结合紧密，具有较强的抗短路能力。变压器绝缘系统的耐热等级为主要有F级和H级。 干式电力变压器的特点：

①损耗低，节电效果相对较好。②阻燃、防爆、无污染、免维修、可分散安装在负荷中心，降低投资造价，节约费用。③局部放电量小于10PC，线圈不吸潮，不吸尘，机械强度高，可靠性好。④抗短路，耐雷电冲击性能好。⑤外壳可采用不绣钢、冷轧钢板和铝合金板材三种材料，进出线可以工程需要灵活设置，如上进上出，下进上出，下进下出等。

目前工程中主要采用的干式变压器型号有SC系列、SCB系列、SCL系列、SCR系列等。 2.2 三维立体卷铁心变压器的结构 铁芯结构：三维立体卷铁心变压器，铁芯结构由三个几何尺寸完全系统的单框半圆形截面卷铁心组成，相互间角度为60°，铁心心柱截面由两个半圆组成一个完整的圆形，铁轭截面为半圆形，为心柱的一半。

由于每个单框铁心为卷铁心，且框与框之间有气隙，因此磁通由于气隙磁阻较大而各框形成单独回路。

绕组结构：高压绕组采用饼式绕组结构，由NOMEX@纸包铜线绕制，饼间采用高频陶瓷垫片支垫。低压绕组采用箔式绕组结构。箔式低压绕组与饼式高压绕组相配合，绕组端部漏抗小，变压器抗短路能力强。高、低压绕组最大限度地采用了NOMEX@绝缘制品和高频陶瓷，

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在高湿度、高温度条件下，均能保持较高的电阻率，介质损耗因数在高温下变化不大，故电气性能较佳，即使在短路故障时，热稳定性仍然良好，过负载能力和耐冲击性负荷能力较强。 3 三维立体卷铁心变压器的结构特点

三维立体卷铁心层间没有接缝，磁路各处分布均匀，没有明显的高阻区，没有接缝处磁通密度的畸变现象。

磁通方向与硅钢片晶体取向完全一致。

三相磁路长度完全相等，力求三相磁路长度之和最短。 三相磁路完全对称，以使三相空载电流完全平衡。 4 三维立体卷铁心变压器与传统铁心变压器的性能比较

4.1 降低空载损耗 当变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率正弦波的额定电压时，所消耗的有功功率称为空载损耗。变压器的空载损耗主要是铁心损耗，与铁心的重量、制造工艺密切相关。

首先，三维立体卷铁心的磁化方向完全与硅钢片的扎制方向一致，且铁心层间没有搭头、接缝，磁路各处磁通分布均匀，没有明显的高阻区、没有接缝处磁通密度的畸变现象，在材质相同的前提下，卷绕式铁心与叠片式铁心相比，其铁损工艺系数从1.3～1.5之间，下降到1.05左右，仅此一项就可使铁心损耗降低10～20%。其二，由于三维立体卷铁心的特殊结构，使铁心的铁轭部分用材量比传统叠片铁心减少25%，且减少的角重占铁心总重约6%。其三，对硅钢片的剪切处理会使其导磁性能恶化，三维立体卷铁心经高温（800°C）真空充氮退火处理，不仅消除了铁心的机械应力，而且细化了硅钢片的磁畴，提供了硅钢片二次再结晶的能力，使硅钢片的性能大大优于其出厂时的性能。

4.2 降低空载电流 空载电流是变压器在额定电压下二次侧空载时，一次绕组中接通的电流，仅起励磁作用。

众所周知，空气的磁阻比硅钢片的磁阻高出几千倍，二叠片式变压器铁心的磁路中的搭头接缝数量较多，且所有搭头接缝均集中在铁心框的角位部分，形成磁路高阻区，增加变压器的损耗和空载电流。

因此，铁心磁路中接缝数量越多，其损耗和空载电流就会急剧增加，三维立体变压器采用卷铁心，一根硅钢片带料在专用设备上连续不间断地一次卷绕成形，铁心磁路中完全没有搭头接缝，不仅损耗大大降低，而且空载电流也变的很小。

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经型式试验实物测试，1000kVA空载电流比国际标准降低82%，已知变压器的无功损耗约占总线损的40%，空载电流下降80%，即降低总线损的32%，提高了功率因数，改善了供电品质。

4.3 降低负载损耗 一次绕组额定分接头位置上通入额定电流，消耗的功率称为负载损耗，包括直流电阻损耗、附加损耗等，负载损耗值通常是指相应参考温度下的数值。

负载损耗与绕组的电阻成正比，而电阻随温度的升高而增加，在同一负载条件下，变压器的运行温度每升高10°C，其负载损耗增加约4%。

三维立体卷铁心的心柱截面呈圆形，填充系数高达99%，远高于叠片铁心的90%，使得截面外接圆的直径减小，缩短铜线的长度，降低绕组的电阻，达到降低铜损的目的。 三维立体变压器的自身散热条件为“抽风烟筒”式空气对流散热，与传统叠片变压器相比，在相同的负载条件下，三维立体变压器能更快散发热量，使变压器器身处于相对低温的状态，因此，在相对低温状态下运行的三维立体变压器，其负载损耗低于传统叠片变压器。经检测，三维立体卷铁心变压器的负载损耗较国标降低5～10%。

4.4 降低噪音 变压器本体振动产生噪声的根源在于：①硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。②硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力而引起铁心的振动。③变压器工作磁密选取过高，接近饱和，漏磁太大，产生噪音。

三维立体卷铁心是将硅钢片条料在专门的铁心卷绕机上不间断、紧密连续卷制而成，没有接缝，不会产生如叠片式铁心那样因磁路不连贯而发出的噪声，再加上三相磁路、磁通对称，工作磁密设计在1.45～1.5T之间，因而产品噪音大大降低。以2000kVA/10kV/0.4kV规格变压器为例，其型式试验声级测定只有47dB，比国标规定的66dB降低19dB，几乎达到环保静音状态，非常适合室内和居民区使用。

4.5 降低谐波 谐波的危害诸多，主要为：①降低系统（变压器、断路器、电缆等）容量；②加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备；③危害生产安全与稳定；④浪费电能。 由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。正弦电压加于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波，另外，变压器铁心的磁路不连贯，存在高阻区，发生磁通畸变，产生谐波。

经检测分析，三维立体卷铁心变压器总电压畸变率为2.97%，与以前使用SCB9产品电压畸变率6.77%相比大幅度降低。

综上所述，三维立体卷铁心变压器与传统铁心变压器相比，无论在空载损耗、负载损耗方面，还是在谐波、噪声等方面均有较大幅度的改善。

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5 经济分析

现将三维立体卷铁心变压器与传统叠片式变压器进行经济效益比较，详见表1。 计算公式：

C=8760×[（Po+0.51×Pk）+0.05×Sn×（Io+0.51×Uk）]

C：年耗电量；Po：空载损耗；Pk：负载损耗；Sn：额定容量；Io：空载电流；Uk：短路阻抗。

全年运行按8760小时、负载率平均按51%负载运行，无功当量按0.05，负载损耗参考温度为75℃。

由表1可以看出，三维立体卷铁心变压器具有很好的经济性，可为用户节约可观的运行费用。

参考文献：

[1]谢毓城，电力变压器手册[M].机械工业出版社.出版时间：2003. [2]李丹娜.电力变压器应用技术[M].北京：中国电力出版社，2009. [3]胡启凡.变压器试验技术[M].北京：中国电力出版社，2010.