【技术分析】降低变压器损耗的方法


电力变压器是电力系统中最重要的设备之一,是保证供电可靠性的基础。随着整个国民经济的高速发展,对变压器的需求量还将不断增加。然而随着电力变压器装机量的增加,其自身所消耗的能量也越来越大,这与我国提倡建设节能性社会是不相符合的,有必要采取相应的技术措施来减少变压器自身的损耗,因此研究如何降低变压器损耗的方法就变得非常有必要了。

电力变压器的损耗主要包含空载损耗与负载损耗两部分,其中负载损耗又包括杂散损耗。

电力变压器的空载损耗

变压器的空载损耗主要包括铁心材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗几部分,又因为变压器的空载损耗属于励磁损耗,所以与负载无关。

1)磁滞损耗是铁磁材料在反复磁化过程中由于磁滞现象所产生的损耗。磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积成正比。


2)涡流损耗。由于铁心本身为金属导体,所以由于电磁感应现象所产生的电动势将在铁心内产生环流,即为涡流。由于铁心中有涡流流过,而铁心本身又存在电阻,故引起了涡流损耗。

3)附加铁损。附加铁损是不完全决定于变压器材料本身,而主要与变压器的结构及生产工艺等有关。通常引起附加铁损的原因主要有:磁通波形中有高次谐波分量,它们将引起附加涡流损耗;由于机械加工所引起的磁性能变坏所导致损耗增大;在铁心接缝以及芯柱与铁轭的T型区等部位所出现的局部损耗的增大等。

降低空载损耗的主要方法

由于空载损耗是变压器的重要参数,仅占变压器总损耗的20%~30%,要降低空载损耗,必须要降低铁心总量、单位损耗和工艺系数。降低空载损耗的主要方法如下:


(1)采用高导磁硅钢片和非晶合金片。普通硅钢片厚度0.3~0.35 mm,损耗低,可用0.15~0.27 mm。同时,若采用阶梯叠积,则又可减少铁损8%左右。用激光照射、机械压痕和等离子处理可使高导磁硅钢片损耗更低。而非晶合金片和按速冷原理制成的含硅量为6.5%的硅钢片,其涡流损耗部分比一般高导磁硅钢片小。 

(2)减少工艺系数。工艺损耗系数与硅钢片材料、冲剪设备是否退火、夹紧程度等诸多因素有关。对冲剪设备的刀具精度、装刀合理和调整也很重要。

(3)改进铁心结构。铁心不冲孔,不绑扎玻璃粘带,端面涂固化漆,相间铁轭用高强度钢带绑扎。心柱两侧连接上下夹件的拉板用非磁性钢板。对大容量铁心片不涂漆处理,提高填充系数和冷却性能。用强压工装和粘胶使铁心两轭成为一个坚固、平整、垂直精度高的整体。减少铁心搭接宽度可降损,搭接面积每减1%,空载损耗会降0.3%。铁心中混入不同牌号硅钢片会耗能,故应少混或不混片。

(4)减少铁心窗口尺寸。将绕组不变匝绝缘(厚度)改成变匝绝缘,如将一台120 000/110变压器根据冲击电压分布,高压绕组首端和调压段的匝绝缘厚度为1.35 m m,其他段为0.95 mm,结果因缩小窗口尺寸后,降铁重1.67%。在安全前提下,合理缩小高、低间主空道距离、降低饼间油道、缩小相间距离、加强绝缘处理(加角环、隔板等),绕组采用半油道结构,就缩短了心柱中心距,减小了铁心重,也降铁损。

(5)设计无共振铁心。将铁心的共振频率设计在合适的频率段,使之无法产生强烈共振,对减小噪声有明显效果,就能节约为降噪而多用的能源。

(6)采用卷铁心变压器和立体铁心变压器。卷铁心比传统的叠片式铁心少4个尖角,连续卷绕充分利用了硅钢片取向性,采用退火工艺,降低了附加损耗。对R型卷铁心,其截面占空系数接近于100%。而立体铁心的铁轭为三角形立体布置,比平面卷铁心铁轭重减轻25%。这些因素说明卷铁心和立体铁心更节能。


电力变压器的负载损耗

电力变压器在运行时,绕组内通过电流,会产生负载损耗。负载损耗又称铜损,除基本绕组直流损耗外,还有附加损耗。

1)基本铜损。对于小容量的变压器,负载损耗主要是指基本铜损,漏磁场引起的附加损耗比例很小。

2)附加损耗。附加损耗主要有绕组涡流损耗、环流损耗和杂散损耗三种损耗:

(a)绕组涡流损耗。大容量变压器运行时,绕组的安匝会产生很大的漏磁场。所谓漏磁场是指磁通有一部分通过空气,有一部分磁路是铁心。由于绕组的导线处在漏磁场中,漏磁通会在导线中引起涡流损耗。

(b)引线损耗。引线损耗是变压器各引线电阻损耗的总和折算。

(c)杂散损耗。杂散损耗是漏磁通穿过钢结构件(如板式夹件、钢压板、压钉螺栓及油箱壁等)等所产生的损耗。

降低负载损耗的主要方法

负载损耗占总损耗70%~80%,包括绕组直流电阻损耗(基本损耗)、导线中涡流损耗、并绕导线间环流损耗、引线损耗和结构件(如夹板、钢压板、箱壁、螺栓、铁心拉板等)的杂散损耗。降低负载损耗的主要有如下几种方法:

(1)限制漏磁引起的附加损耗。进行安匝平衡计算,按结果进行安匝调整;绕组采用“低-高-低”或“高-低-高”排列;限制扁线的宽度和厚度;按磁场计算选定最适宜的换位方法;采用换位导线或组合导线。

(2)缩小主、纵绝缘结构尺寸。在高压绕组上采用“等冲击电压梯度”分布的技术,可缩小纵绝缘尺寸;绕组之间采用薄纸筒、小油隙;用瓦楞纸作主绝缘;采用形状与等电位完全相同的成型件,角环形状符合等位线形状,以分瓣成型角环作为结构件;绕组内径绕在绝缘纸上,但在线段中间设轴向油道;多采用缩醛漆包线,用QQ-2或QQB型缩醛线代替0.45 mm厚纸包扁线,因前二者匝绝缘为2×(0.056~0.079)mm,绕组填充系数高,且满足匝绝缘要求;多采用筒式绕组,因无饼间油道,冷却主要靠轴向垂直油道,散热好、填充系数和冲击特性好,安匝匀、短路力小;适当缩小主绝缘(径、端)距离。

(3)根据计算采用有关工艺。据冲击计算确定纵绝缘结构,垫块、撑条、金属件倒角保持较好形状;计算漏磁场和涡流分布指导换位方式;绕组轴向均布,心柱绑带用非磁性材料;心柱和轭铁部分设特殊屏蔽以缓和电场;调压绕组采用一层一个分接;工艺上采用组装式,内绕组直接绕在绝缘筒上,严控高度、直径公差,套装间隙小,采用热套新工艺,采用整体托板和压板,绕组换位处用迪耐松纸,带压干燥,绕组放在保温烘房内防止受潮。

(4)采用低损低阻导线。用无氧铜线采用上引法拉拔而成,如采用铜连续挤压机而制成。如能用到变压器上,可节能和降体积,具有一定的应用前景。

(5)利用绝缘结构特点来设计可缩小体积。利用变压器油液体电介质特性,适当设置覆盖层、屏障、屏蔽、绝缘层;利用油的“距离效应”加隔板成小油隙;利用油的“体积效应”采用瓦楞纸;利用油中绝缘层“厚度效应”加包绝缘提高击穿电压,但不宜太厚;利用油中隔板离最大场强极距离特点来设置隔板。

(6)采用先进的绝缘结构。采用适用绕组,提高填充系数,采用轴向油道的新型螺旋式(或连续式)绕组,有效地降低了绕组体积。在漏磁集中部位采用非金属或非磁性材料的压紧结构,采用电磁屏蔽使漏磁通槽路化,可使负载损耗降3%~8%。

(7)优选绕组内部保护。绕组内部保护措施有电容环、静电线匝、串联补偿(附加饼间电容)、等电位屏,也可采用纠结式绕组或内屏蔽式绕组。它们都有减小冲击作用下作用于主、纵绝缘上的过电压,从而减小变压器的体积和能耗。

(8)采用长圆形等绕组和Yyn0联结及降高度节能。用长圆形铁心、绕组或椭圆形绕组或矩形带圆角绕组经实践都比圆形传统截面节能。采用Yyn0比Dyn11联结的分接头电压低,三项可共用一盘分接开关,结构简单、体积小,前者比后者对500kVA变压器,导线重减2%、铁重减6%、油重减11%,故节材节能。对干式变压器,绕组越高,上下温差越明显,适当降高,有利于散热和节能。

降低杂散损耗的主要方法

杂散损耗为负载损耗中的特例,故单独讨论降低它的方法。杂散损耗包括结构件(铁心夹件、屏蔽环等)的损耗;穿过导体地方(套管座)损耗;平行导体(通过大电流的引线)的损耗和油箱损耗。降低杂散损耗的方法主要有以下几种方法:

(1)根据磁分析和实物测量,采用铁心夹件小型化、取消单相中心柱铁心垫板、增加铁心表面部分的缝隙、对铁心拉板和漏磁场中的结构件(如螺栓等)采用低磁性或非磁性材料等,可以降低内部结构的杂散损耗。

(2)对套管出线盒及箱盖的一部分,认真配置引线以对磁场控制,采用铜板屏蔽或非磁性材料,套管罩用铝制造。还可在绕组与夹件间设置硅钢片压板,用以吸收夹件、油箱等处磁通。在磁场最强地方埋入带状的有色金属,这样可以降低大电流套管和引线部分的杂散损耗。

(3)对大变压器,沿箱壁内置磁导率高的硅钢板作磁分路,吸收箱壁磁通称磁屏蔽;或者用电导率高的有色金属铜和铝作内衬,产生涡流的反作用使进入油箱壁漏磁减少,称电屏蔽。一般磁屏蔽比电屏蔽好,这样可以降低油箱杂散损耗。

(4)定量计算油流回路,采用挡板,合理分隔绕组,达到均匀冷却,优选波纹油箱、片式散热器、冷却器、节能风扇、油泵,得到最经济节能冷却方式,以此来降低杂散损耗。

(5)采用玻璃纤维强化塑料风扇,效率高噪声小。将旧型冷却器换成新型冷却器,采用变频调压式电源供冷却器,可以降低辅助设备损耗。