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配电变压器的节能及其法规(2) |
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| 配电变压器的节能及其法规(2) |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 20:19:49  |
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5降低磁心损耗的技术
变压器的损耗一般可以分为空载损耗和负载损耗，图2是变压器损耗的详细分解力图；图3所示为变压器的低损耗技术。变压器设计制造中采用低损耗技术后，空载与负载损耗都可以降低。
5.1利用电磁钢的磁畴控制技术降低空载损耗
图3是电磁钢的磁畴控制技术示意图。图中示出了磁畴的结构；在低铁损高取向的电磁钢板的面上加工出沟槽，用其细化磁畴以得到损耗更低的高取向电磁钢板。
①细化磁畴可降低空载损耗：磁畴细化后使铁损进一步降低，如果采用最高级的磁畴细化电磁钢板制作变压器，其空载损耗将大幅度降低。
②磁畴细化后，进一步降低了变压器噪声：使用细化的磁畴之电磁钢降低了磁致伸缩，因此使变压器在运行中的噪声降低。
③采用多股线绕制高压线圈及其变位来降低变压器的负载损耗：导体在交变磁场中会产生涡流损耗，如果高压线圈用多股线绕制或者变位，可以降低这种涡流损耗。
④盖板采用不锈钢板制造可降低涡流损耗：顶盖板采用非磁性材料不锈钢制作可抑制涡流损耗。
⑤关于高取向电磁钢板
取向电磁钢具有磁力线在轧制方向容易通过的特性。但在材料的晶粒尺寸较小时，磁力线容易通过的方向（易磁化轴方向）与轧制方向有一定的偏移，标准取向电磁钢的平均偏磁移量为7度。对于高取向的电磁钢，易磁化轴的偏移量则为3度，因此，这是一种低磁滞损耗的电磁钢（见图4所示）。
⑥关于磁畴细化的电磁钢
磁性材料的内部结构有许多被称为磁畴的小区域，每一磁畴内的磁矩具有同一方向性。磁畴与磁畴之间的边界称其为畴壁（如图5所示）。
变压器的空载损耗大致等于其铁心产生的损耗（即铁损）；铁心损耗（Wir）由磁滞损耗（Wn）和涡流损耗（Wer）组成。而涡流损耗又分为经典意义上的涡流损耗（We）和异常状态下的涡流损耗（Wa），如下式表示：
(2)
式中， (3)
(4)
(5)
式中，Wir—总铁损，f—频率，Bm—磁感应强度，K—1.6~3，t—电磁钢板厚度，BS—饱和磁感应强度，V—畴壁移动速度。
由式(5)可见，异常状态下的涡流损耗取决于畴壁移动速度。磁畴细化是高取向电磁钢板上加工出沟槽形成的。其降低了畴壁移动速度，从而使电磁钢的损耗下降。
从式(3)式(4)可见，电磁钢的磁滞损耗和经典涡流损耗取决于设计所取的磁感应强度值，设计所取的磁感应强度低则将使这部分的损耗降低。
采用磁畴细化技术后的低铁损材料做成的铁心，因其磁滞损耗和异常涡流损耗降低，又因设计所取的磁感应强度值低使磁滞损耗和经典涡流损耗降低，故而使变压器总的空载损耗降低。
5.2以多股线绕制高压线圈降低负载损耗
负载损耗是由负载电流流经一次线圈和二次线圈时所产生的损耗，表达式为：
(6)
式中，We—变压器总负载损耗，Wei—电阻损耗（即线圈导体电阻所产生的损耗Wei=I2R），Wce—涡流损耗，Wcs—线圈以外的零件产生的漂游损耗，I—负载电流，R—线圈导体的电阻值。
一般情况下，从经济性角度考虑时，标准变压器线圈主要采用铝导线绕制。为了降低变压器负载损耗，采用电阻率低的铜线或加大导体的截面积以使线圈的电阻下降；但加大导体的截面积时涡流损耗也会增加，因此在设计中必须对其做出折衷。
将导体置于交流磁场中(如图6所示)，导体中将产生电流，有涡流流过，因此有涡流损耗产生，其关系式为：
(7)
式中，t为垂直于磁场方向的导体宽度。
由式(7)可知，垂直于磁场方向上的导体宽度越大，涡流损耗也越大。图3所示的用多股导线绕制高压线圈或变位，导体内的循环电流将会消失，即线圈的涡流降低。
5.3采用不锈钢作变压器油箱顶盖板降低涡流损耗
除了变压器的线圈产生涡流损耗外，对于油浸式变压器则还有一些零件会产生漂游损耗，如流经线圈的电流经过变压器衬套部位、磁力线通过油箱的顶盖板都产生涡流损耗。所以，将变压器油箱的顶盖板用非磁性的不锈钢板材料制造时，就会降低穿过该顶盖板的磁通量，从而降低涡流损耗。
6变压器的节能
现有的变压器通常都要使用30年以上。自上世纪70年代以来，由于技术的进步和新型材料的发展，推进了变压器损耗的降低。目前仅仅按照JIS标准制造的标准型变压器就达到了较好的节能目标。如果推动更为节能的低损耗高效变压器、顶级变压器，则节能效果会更加明显。
变压器的损耗值因负载的不同而异，所以，在计算变压器的节能效果时，与其说是设计变压器的损耗，不如说是设计计算其负载率。下面简要介绍变压器节能效果的计算方法，对象是用30年前的油浸式变压器的设计为前提，更新成目前的顶级节能变压器的计算方法。
6.1变压器的损耗
变压器的空载损耗主要是铁心损耗，和负载率无关。而负载损耗则是线圈内流过电流产生的损耗，所以变压器损耗的表达式为：
(8)
式中，W—变压器的总损耗(W)，Wi—空载损耗(W)，We—负载损耗(W)，Pe—等效负载率(%)。
6.2等效负载率的计算方法
变压器的实际负荷状况是非常复杂的，如图7所示，它是按直方图近似计算得到的。将负载的时间按每个时间段Ti分组，各组的负载率平均近似值为Pi，所以其等效负载率由下式表示。
(9)
6.3节能效果计算举例
图8所示为30年前的1000kVA、50Hz油浸式变压器运行状态的负载率（等效负载率50%），如果用高效顶级变压器更新后，按下式计算，一年可节约电费46.5万日元，一年减少CO2排放量可达16.0吨。图9所示为三相1000kVA、50Hz的三种变压器的节能效果对比实例（三种变压器分别为30年前的油浸式变压器、JIS标准油浸式变压器、高效顶级油浸式变压器）。
等效负载率
=
=约50%
①30年前的油浸式变压器
空载损耗：4960W；负载损耗：12680W。
按负荷率为50%的变压器总损耗为：
4960W+×12680W=8130W
②高效顶级油浸变压器
空载损耗：1040W；负载损耗：9040W。
按负荷率为50%的变压器总损为：
1040W+×9040W=3300W
一年内节约的电量为：
=42311 kWh
③一年内节约的电费
按11日元/1kWh计算，一年内节约的电费为：
④减少的CO2排放量
按煤电的CO2排放系数0.378kg/kWh计：
CO2排放量的减少量=42311kWh×0.378kg/kWh=16.0t
7结束语
变压器是一种特定的节能设备，在目标年度内（油浸变压器为2006年，模制变压器为2007年），变压器制造厂商一年中所制造的变压器的能耗率与所制造的台数进行加权平均，其加权平均值不得超出特定节能设备的基准能耗率。因此，变压器的节能工作正在逐步推进，虽然至今已取得了很大进步。但从保护地球环境的立场出发，在推出特种设备节能的同时，还必须考虑其资源的循环利用，研究开发新材料及其应用技术也是非常重要的。这是使变压器进一步小型化、轻量化和降低损耗的重要措施。
(参考文献略)出处： 《国际电子变压器》2006年5月刊
文章作者： 文隽亿 编译 圣力 校
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