汪洋
杭州钱江电气集团股份有限公司 浙江省杭州市 311243
摘?要：随着国家对能耗的要求，整个变压器行业都在为开发降耗节能型油浸式电力变压器做出不懈努力。尤其国家能源日益紧张，降耗节能和环保已经成为全社会共同关注与研究的课题。降耗节能不仅是经济上的考虑，同时对减少环境污染也有重要意义。
[关键词]油浸式配电变压器节能
目前，电力系统中电力变压器的损耗占输配电系统损耗的三分之一，电力系统线路通过变压器进行变换电能，在变换过程中变压器本身会损耗一部分电能，变压器本身的空载损耗和负载损耗越大，变压器输出端有效输出电量就会越小，造成浪费又增加环境污染，因此研究制造低损耗节能变压器是目前重要而紧迫的任务。
1各种新型低损耗配变的技术特点
1.1 S13卷铁心配变(典型型号:S13-M.R)。这种配变20世纪90年代在我国开发研制,最大的特点就是铁心由硅钢片不间断连续卷制而成,在片形上没有接缝。其主要优点是:
①硅钢片连续卷制,铁心无接缝,大大减少了磁阻,空载电流减少了60%～80%;
②连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性,空载损耗降低20%～35%;
③卷铁心结构成自然紧固状态,无需夹件紧固,避免了因铁心加紧力所带来的铁心性能恶化,损耗增加;
④卷铁心自身是一个无接缝的整体,且结构紧凑,在运行时的噪音水平降低到30～45dB,大大优于国标要求(44～57dB),保护了环境。因此,很适合于建筑物内和生活区安装使用。
⑤应用特殊夹件进行器身装配,使其抗短路能力优于叠片式铁心;
⑥铁心和线圈在专用设备上卷制,减少了由人工制造造成的质量波动,质量稳定可靠。卷铁心变压器的缺点:①铁心退火工艺要求较高;
②铁心和绕组维修较困难。目前我国市场上主要供应的是平面卷铁心配变,平面卷铁心有“阶梯型”和“R型”两种结构。
1.2 S13叠铁心配变(典型型号:S13-M)。S13叠铁心配变是在新型S13系列产品结构设计的基础上
进行开发的,其主要特点是铁心采用了高导磁、低损耗的优质高性能硅钢片,降低了空载损耗。叠铁心生产使用时间长,生产工艺成熟,结构稳定。但由于采用人工叠片、叠装、拆插上铁轭等,产品质量容易受人为因素影响,造成质量波动。另外,由于结构所限,其噪声要比卷铁心配变大。
1.3 非晶合金配变(典型型号:SH15-M.R)。非晶合金配变因铁心采用非晶合金材料制成而得名。非晶合金材料是一种新型软磁材料,用它代替硅钢作为变压器铁心可大幅度降低变压器空载损耗和负载损耗。目前,非晶合金配变铁心一般也采用卷制式。非晶合金配变的主要特点是:
①非晶合金与硅钢片变压器相比空载损耗下降70%～80%,空载电流下降80%,节能效果显著;
②运行噪声性能同卷铁心配变;
③非晶合金对机械应力非常敏感,张引力和弯曲应力都会影响磁性能,结构设计特殊。
1.4 三种型号配变技术性能分析:根据以上的技术特点,对S13-M、S13-M.R和SH15-M.R三种配变进行技术性能分析:
①空载损耗:S13-M和S13-M.R相同,SH15-M.R较前两者下降70%～80%;
②运行噪声:S13-M.R和SH15-M.R比S13-M降低7～10dB;
③生产工艺:S13-M生产工艺成熟,结构稳定;S13-M.R和SH15-M.R采用了新的卷铁心工艺,目前对S13-M.R型315kVA以上的大容量配变,国内铁心硅钢片的卷制和退火工艺与国外先进水平相比还有差距,在一定程度上影响了产品的质量。
2高效节能叠铁心配电变压器的设计
2.1设计思路
要想釆用叠积式圆形铁心达到GB20052-2013中的1级能效限定值要求，难度极大。叠铁心变压器要降低空载损耗，一般要在三个方面下功夫:使用高牌号硅钢片，降低铁心磁通密度,提高器身填充率缩小体积。经过多个方案的设计分析和相关资料的查找借鉴，主要从以下几点进行本产品的优化设计。
(1)釆用性能最好的硅钢片叠制铁心。指定用目前最高牌号性能最好的B20R065高导磁硅钢片，单位损耗小于0.65W/kg(1.7T,50Hz下)。叠片釆用多级步进式叠积，可降低空载损耗和空载电流。由于单片厚度薄，叠片系数按0.96计算。
(2)降低铁心磁通密度，增大铁轭截面积。铁心磁通密度降至1.5T以下，对应磁通密度下的单位损耗不超过0.45W/kgo铁轭截面的增大对绕组尺寸没有影响，因而可以通过增大铁轭的截面积，进一步降低铁心中磁通密度和对应磁通密度下的单位损耗,从而进一步降低空载损耗。由于硅钢片材料各向异性的特性，铁心柱和铁轭截面不相等会造成磁通片间穿越进而增加损耗，特别是在中柱接缝处损耗增加明显，过度增大铁轭截面是不可取的。
(3)提高绕组的填充率，降低铁心重量。
通过优化绕组结构，尽量缩小绕组体积，相应可减小铁心的体积和重量，从而降低空载损耗。对配电变压器而言,高压绕组釆用层式，低压绕组釆用箔式，比连续式绕组和螺旋式绕组的填充系数为高，可有效减小绕组的尺寸“而随着配电变压器容量的增大，低压绕组采用一张铜箔时厚度过大，绕制难度增大。釆用双层铜箔并绕甚至三层铜箔并绕在大容量配电变压器中得到越来越多的应用，本方案中最终釆用双层铜箔绕制低压绕组。
(4)降低杂散损耗。通过降低结构件中的杂散损耗，在保持负载损耗不变的前提下，将降低的这部分损耗增加到绕组直流电阻损耗中，从而减小绕组电磁线用量，进一步缩小绕组体积,相应减小铁心体积和重量，进一步降低空载损耗。
通过以上几点技术措施,最终设计方案使变压器的技术性能指标满足技术协议要求。
2.2结构设计
2.2.1铁心设计
铁心按技术要求釆用圆形铁心截面,铁轭釆用截面增大的D型大轭结构。铁轭叠片厚度与铁心柱叠片厚度相同，叠片宽度在1.3-1.5倍心柱叠片宽度范围内选择。
为了降低夹件中的损耗,夹件可选用不导磁钢材料，或在导磁钢夹件的绕组侧增加硅钢片制成的磁屏蔽，或是釆用绝缘夹件。在综合考虑夹件机械强度和电磁性能要求的基础上，夹件整体由绝缘材料制成效果最佳，可使夹件中的杂散损耗降低到近似为零。
2.2.2绕组设计
高压绕组釆用多层层式结构，层间一个散热油道。低压绕组釆用双层铜箔层式结构，层间一个散热油道。双层箔式绕组的附加损耗(包括涡流损耗和环流损耗)占绕组直流电阻损耗的百分数可按以式⑴计算。
Ka=8.4×δ1.2×n×B×10-4,% (1)
式中 δ-----铜箔总厚度,mm
n-----绕组匝数
B-----同箔宽度,mm
2.2.3引线设计
低压引线中电流较大，可选用较大截面的铜排以降低引线中的损耗，同时，低压绕组尾头的引线铜排伸出尽量短一些，也可降低部分引线损耗。低压引线采用在夹件内侧向上引出的方式，使大电流的低压引线远离油箱壁，从而降低了引线漏磁场在油箱壁中产生的杂散损耗，有利于降低产品的整体损耗。
2.3箔式绕组的环流计算
低压绕组釆用了双层箔式结构，我们知道，同心式绕组辐向有多根导线并联时，要进行适当地换位来保证每根导线所处漏磁场中的位置相同，以消除并联导线间的环流损耗。对箔式绕组而言,釆用双层箔或三层箔并绕,箔与箔之间一般是不换位的，因此，双层铜箔间也会有环流存在。
箔式绕组端部的挤流效应造成的涡流损耗增加以及双层箔之间的环流造成的环流损耗，对负载损耗会有显著影响，如果不能准确计算与控制，容易造成负载损耗超标。因此，对双层及三层箔式绕组的环流及环流损耗进行准确计算是很有必要的。(1)漏磁组法。
箔式绕组有几匝，则沿绕组辐向对应有几个漏磁组,取其中一组计算感应电位差Ep和回路的短路阻抗Zp,则两层箔之间的循环电流IP=Ep/Zp,循环电流引起的环流损耗PP=IP2×R,R为箔式绕组75℃时电阻。
(2)有限元法。
电磁仿真软件近年来的快速发展及在变压器行业的广泛成熟应用，使得变压器精准设计成为可能。针对双层箔式绕组间的环流，釆用3D有限元法进行仿真计算可得到更加准确的结果。
3结束语
新型油浸式节能配电变压器比普通配电变压器空载降低30%以，上，能效达到国家标GB20052-2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》中能效等级1级水平，符合各个电厂、电站、工矿企业用户配电站等电力和配电系统的需求。符合国家降耗节能和环保的政策。此节能配电变压器的应用不仅对国家经济做出贡献，同时对减少环境污染也具有重要意义。
参考文献
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