煉鋁企業變壓器節能分析與評估

吳子成　姚艷

摘 要：針對煉鋁企業變壓器節能降損的問題，該文從理論上研究分析了基波損耗和諧波損耗的產生機理，并在PSCAD/EMTDC中搭建了煉鋁企業的整流模型。主要針對有載調壓變壓器和整流變壓器的損耗情況進行仿真計算，根據結果定量或定性地分析了基波損耗源和諧波損耗源。根據對煉鋁變壓器節能潛力的分析與評估，該文提出了一系列可降低基波損耗和諧波損耗的方案。利用整流模型對方案進行仿真，結果表明，變壓器的損耗有明顯降低，可提高經濟效益。

關鍵詞：煉鋁企業 變壓器 節能 諧波

中圖分類號：TQl75.6 文獻標志碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0089-02

1 基波損耗

1.1 基波銅耗

變壓器在運行時，繞組內通過電流，會產生銅損，除基本繞組直流損耗外，還包括附加損耗。基本銅損耗是線圈的直流電阻所引起的損耗；而附加銅損耗則包括由于漏磁場引起的集膚效應使導線有效電阻變大而增加的銅損耗，多根導線并繞時的內部環流損耗，以及電磁場的結構件、油箱壁等處引起的渦流損耗、環流損耗和雜散損耗。它們是引起變壓器鐵心發熱的重要因素。

在測量方面，雜散損耗總是與其他損耗成分混合在一起，因而，很難直接測量雜散損耗，也難于準確將構件上的損耗從總損耗中分離開，顯然，更不可能通過測量了解雜散損耗的詳細分布，無法把總損耗中每一部件的損耗分離開。

1.2 基波鐵耗

鐵耗是指發生在鐵心中的損耗，鐵心被外加勵磁磁化，在磁化過程中產生了能量損耗。它導致變壓器和電機效率降低，鐵心溫度升高，從而限制了出力的提高。鐵耗包括鐵芯材料的磁滯損耗、渦流損耗以及附加損耗幾部分。

（12）

3 仿真計算

3.1 煉鋁系統仿真模型

某鋁廠整流所供電系統正常運行時有6臺整流機組投入運行。每個機組有1臺調壓變壓器、3臺移相變壓器和2臺整流變壓器，每臺整流變壓器接兩個反并聯整流橋，6臺機組網側分別移相±12.5°、±7.5°±2.5°，每臺機組之間移相5°，意味著每隔5°就有一個橋臂的整流元件切換導通，因此6臺運行時輸出72脈動的直流電流。整流單元為等值12脈波整流電路。對于整流變單機組±2.5°、±7.5°、±12.5°的移相要求，可以通過更改單相變壓器變比，即改變二次側線電壓大小，從而改變移相角度。

3.2 損耗計算

利用變壓器空載試驗和短路試驗的原理，得到有載調壓變壓器和整流變壓器的繞組電阻參數，如表1所示。

根據公式（9）即可得出兩種變壓器的諧波繞組電阻參數。

由仿真數據得出有載調壓變壓器和整流變壓器兩側繞組的各次電流值，考慮到計算的方便性，高于15次的且小于1A的諧波電流均忽略不計，這里不做出一一例舉。

計算得變壓器的基波損耗如表2所示，諧波損耗[6-7]如表3所示。

根據仿真結果可見，由于諧波的注入大大增加了變壓器的損耗。

4 節能分析與評估

4.1 損耗源分析

變壓器的基波損耗包含兩部分，銅耗和鐵耗。

基波銅耗與變壓器兩側繞組電阻有關，減小銅耗繞組可降低其基波銅耗。繞組渦流損耗與導線厚度、漏磁密峰值、電阻率、繞組匝數和高度有關，減小它們的值均可降低繞組渦流損耗。而引線損耗和雜散損耗與變壓器的結構和材料有關。

基波鐵耗由基波磁滯損耗、基波渦流損耗和附加鐵損決定。基波磁滯損耗與鐵心材料和尺寸有關。基波渦流損耗不僅與鐵心材料和尺寸有關，還與疊片厚度有關。而附加鐵損主要與變壓器的結構及生產工藝等有關。

鋁廠的諧波源通常為[8]：

（1）變壓器：分為有載調壓變壓器、移相變壓器和整流變壓器。

（2）整流裝置：鋁廠整流系統由整流機組組成，會生多種高次特征諧波與非特征諧波。

（3）非線性負荷：鋁廠內部除線性負荷外，還包括變頻裝置等大量非線性負荷，如軋機、電動機車等電動機變頻調速設備。其產生的諧波情況非常復雜。

（4）背景諧波：背景諧波一方面來自220 kV供電網的諧波電壓的滲透，另一方面來自整流供電網內部其它諧波源，如發電機升壓變壓器產生的勵磁諧波電流；由于電網元件參數不完全對稱引起負序電流，在其發電機組內產生逆向旋轉磁場，也可能產生一部分諧波電流。

4.2 節能評估

降低煉鋁變壓器的基波損耗可從變壓器的結構、材料和經濟運行等方面進行研究分析：如開發新型低損耗變壓器，尤其是非晶合金變壓器[9]，以及開展變壓器的經濟運行等。

由上述仿真數據可知，變壓器兩側繞組上5、7和11次諧波電流較大，因此其諧波損耗的節能潛力很大。

由仿真數據得出，加入無源濾波器后變壓器諧波損耗的降低情況如表4所示，可見諧波降損的節能潛力巨大。

4.3 降損措施

降低銅耗的主要途徑是選用電阻率較低的導線材料，另外通過提高變壓器保護水平，適當降低阻抗電壓也可以減少電阻損耗。而降低附加銅耗就要降低漏磁場強度等。降低鐵耗的主要途徑是選用導磁率高和厚度薄的電工鋼片，還應改進鐵心疊片夾緊方式以及鐵心和絕緣結構來提高鐵心填充系數，盡可能縮小鐵心尺寸等[10]。降低變壓器的諧波損耗，可采取抑制諧波的措施減小諧波電流，從而降低諧波損耗：多相整流技術、無源濾波器、有源濾波器和混合濾波器等[11]。

5 結語

論文為了研究分析煉鋁企業變壓器的節能問題，通過對損耗的理論分析，并利用PSCAD建立電解鋁系統的仿真模型，結合變壓器的節能潛力，研究得出煉鋁變壓器的基波損耗主要與變壓器本身的特性有關，而諧波損耗則是由于煉鋁系統中大量諧波電流導致的，并進一步提出了降損方案：煉鋁變壓器的基波降損可通過改善變壓器的結構、材料和制作工藝等方面來實現，而諧波降損可通過抑制煉鋁系統的諧波，采取加無源濾波器等措施來實現。

參考文獻

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