谈谈电气设计中变压器的节能技术

于长恒

摘要：随着我国经济的持续快速增长，作为二次能源的电能供需矛盾日益突出。在积极倡导节能减排、发展低碳经济的今天，如何把节能措施贯穿于整个电气设计过程则显得尤为重要。下面结合工作实际，就建筑电气设计的节能措施谈谈一些看法。

关键词：电气设计；变压器耗损；节能技术；

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

随着我国城市化的加速、工业的发展、人民生活水平的提高, 我国的能源供应将日益紧张。因此, 节约二次能源—— 电能, 也就成为民用建筑电气设计的任务之一。目前在国内电网上运行的10kV和35kV级变压器约有10亿kVA以上。由于使用量大, 运行时间长, 变压器在选择和使用上存在着巨大的节能潜力。选择高效节能产品, 不但对节约能源具有重要意义, 同时还可以大大降低变压器的运营成本,是企业改善经济效益的重要途径。电力系统要把电能从发电站送到用户, 至少要经过4级变压器方可输送电能到低压用电设备(380V/220V)。虽然变压器本身效率很高, 但因其数量多、容量大, 总损耗仍很大。据统计, 我国2005 年的总发电量是2.5万亿kW.h,变压器的总损耗占系统总发电量的10%左右,如损耗每降低1% ,每年可节约数10 亿kW.h 电, 因此降低变压器损耗具有重大的社会和经济效益。

1、变压器节能技术

1.1使用低损耗变压器

1.1.1铁芯损耗的控制

变压器损耗中的P0 主要发生在变压器铁芯叠片内, 主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。它是固定不变的部分, 大小随硅钢片的性能及铁芯制造工艺而定。最早的变压器铁芯材料是易于磁化和退磁的软熟铁。为了克服磁回路中由周期性磁化所产生的磁阻损失和铁芯受交变磁通切割而产生的涡流,变压器铁芯是由铁线束制成, 而不是由整块铁构成。近年来世界各国都在积极研究生产节能材料,变压器的铁芯材料已采用最新的节能材料——非晶态磁性材料, 如2605S2, 非晶合金变压器便应运而生。使用2605S2 制作的变压器, 其铁损仅为硅钢变压器的1/5, 铁损大幅度降低。

非晶合金: 非晶态合金采用一种快速凝固工艺, 将处于熔融状态下的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度急速冷却,10-3s 就可将1 300℃的钢水降到200℃以下, 形成非晶态带材。非晶态合金在急速冷却后其分子结构处于无序排列的非结晶状态, 金属在这种状态下, 具有特殊的导磁功能。用非晶态合金制造变压器, 可以大大降低变压器铁芯的自身损耗。非晶态合金变压器比传统的硅钢变压器空载损耗减少80%以上, 具有明显的节能效果。如果把我国现有的变压器全部换成非晶合金变压器, 每年可以节约电90亿Kw.h, 这意味着, 每年可以节约一座100万kW火力发电站的发电量,可以节约燃煤364 万t , 减少CO2等废气排放900m³。从这个意义上来说, 非晶态合金被誉为“绿色材料”。

传统硅钢变压器与非晶合金变压器的价格比,在非晶合金变压器诞生之初为1：2。2004年后硅钢价格猛涨, 二者的市场价格比回落到目前的1：1.3 左右,随着非晶合金变压器行业规模扩大, 其价格还有进一步下降空间。我国早在1996年,原国家计委、经贸委、科委就发文要求研制和推广非晶合金变压器。1998年,上海置信电气股份有限公司率先从美国通用电器公司引进了非晶合金变压器生产技术,并在此基础上二次创新,逐步形成了超越美国的自主技术。但是非晶态合金带材, 目前仍然需要进口。

1.1.2非晶合金变压器的节能效果

变压器的空载损耗主要是由涡流损耗和磁滞损耗组成, 涡流损耗与铁芯材料的厚度成正比, 与电阻率成反比, 磁滞损耗与磁滞回线所包络的面积成正比。从表1可以看出非晶合金带材的厚度仅为27µm,是冷轧硅钢片的1/11左右,电阻率是冷轧硅钢片的3倍左右, 因此由非晶合金制成的铁芯, 它的涡流损耗比冷轧硅钢片制成的铁芯要小很多。另外非晶合金的矫顽力< 4 A/ m, 是冷轧硅钢片的1/7左右, 非晶合金的磁滞回线所包络的面积远远小于冷轧硅钢片, 因此非晶合金的磁滞损耗比冷轧硅钢片的也小很多。综上所述, 非晶合金带材是一种具有优异软磁性能的材料, 非晶合金变压器的空载损耗非常低,仅为S9 型硅钢变压器的20%。

表1 非晶合金与硅钢的主要物理性能比较

当变压器运行时, 由于空载损耗和负载损耗等性能参数的不同, 所以年运行能耗也不同, 下面以200kVA和500kVA两个容量规格来列表比较SBH16型非晶合金变压器与S9硅钢变压器的性能参数和年运行能耗, 比较值见表2。

表2 非晶合金变压器节能效果比较表

从表2 中可以看出,一台500kVA的SBH16型非晶合金变压器运行一年后比S9 硅钢变压器,节约能耗约9.4 kW.h。可见, 非晶合金变压器“降耗节能”特点明显。非晶合金铁心的配电变压器系列空载损耗较S9系列降低75%左右,但其价格仅比S9系列平均高出30% ,其负荷损耗与S9系列变压器相等。

2、选择与负荷曲线相匹配的变压器

根据以上面内容可知, 变压器损耗中的PK取决于变压器绕组的电阻及绕组电流的大小, 即与负荷率β的平方成正比。因此, 应选用阻值较小的绕组, 可采用铜芯变压器。负荷率β应如何选取,即如何根据负荷曲线选取与之相匹配的变压器容量, 才能使电能损耗小且节省初投资。在高层建筑电气设计中, 合理确定配电变压器的容量是十分重要的。对于用户来说, 既希望变压器容量不要选得过大, 以免增加初投资; 又希望变压器的运行效率高, 电能损耗小, 以节约运行费用。这是一对矛盾的两个对立面。通过从变压器相对年有功电能损耗率与相对节能负荷率变化的函数关系中找出主要矛盾及矛盾的主要方面, 从而得出一种电能损耗既不高且又节省初投资的配电变压器容量的计算方法。

3、变压器损耗的特征量

3.1空载损耗空载损耗(P0)主要是铁损, 包括磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗与频率成正比, 与最大磁通密度的磁滞系数的次方成正比。涡流损耗与频率、最大磁通密度和硅钢片厚度等三者的积成正比。

3.2额定负荷损耗 额定负荷损耗(PK),主要是负荷电流通过绕组时在电阻上的损耗, 一般称铜损。其大小随负荷电流而变化,与负荷电流的平方成正比(用标准线圈温度换算值来表示) 。

额定负荷损耗大小还受变压器温度的影响, 另外, 负荷电流引起的漏磁通也会在绕组内产生涡流损耗, 并在绕组外的金属中产生杂散损耗。

变压器的全损耗为ΔP=P0+PK；

变压器的损耗比为PK ：P0；

变压器的效率为P2 ：(P2 + ΔP)以百分比表示, 其中P2为变压器二次侧输出功率。

结语

此外, 采用以上讨论的配电变压器容量的计算方法, 主要是针对高层建筑中所使用的变压器, 即干式或环氧树脂浇注变压器, 然而该方法也适用于使用其他配电变压器的场合。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。