電力電子變壓器中高頻變壓器損耗分析與設計

閆超超

摘 要 隨著人們對生態環保重視程度的日益提高，電力系統應該緊跟時代發展的腳步，加大節能降耗技術研究和應用的力度，才能在有效降低企業生產成本的基礎上，保持企業長期可持續發展。基于此， 本文主要分析了電力電子變壓器中高頻變壓器損耗分析與設計。

關鍵詞 高頻變壓器;分析;優化設計

引言

能源消耗帶來的危害巨大，不僅是對地球資源的浪費，也會對環境造成難以修復的傷害。因此，盡管電廠電氣設備能源消耗問題不可避免，但是我們仍然可以通過不斷測試找到浪費的根源，進而研究實施對策，減少能源的消耗。雖然目前我國的電廠電氣節能減耗問題有待解決，但相信經過我們的不懈努力，在未來一定能夠達到對電氣節能減耗的目的。

1概述

隨著工作頻率和功率密度的提高，高頻變壓器的損耗和溫升問題逐漸明顯。變壓器損耗主要分為繞組損耗和磁芯損耗。隨著工作頻率的提高，繞組集膚效應與鄰近效應所帶來的渦流損耗問題已經成為高頻變壓器研究與設計的熱點之一。考慮到高壓大功率場合對繞組載流能力與散熱的要求，銅箔成為大容量高頻磁元件的首選導體類型。高頻繞組損耗模型的建立目前主要基于Dowell 在1966 年提出的一維電磁場解析計算模型。由于采用銅箔繞組的變壓器窗口磁場基本呈現平行于繞組層的一維分布，滿足Dowell 模型的假設條件，因此在大多數場合都能得到較準確結果。除了繞組損耗外，磁芯損耗的大小也限制著變壓器功率密度與效率的進一步提升。斯坦麥斯方程（SE）是計算正弦激勵下磁芯損耗最常用的經驗公式，借助損耗測量數據或磁芯廠家提供的圖表等，可以擬合出適用于特定磁芯的損耗計算參數，代入SE 中便得到該磁芯的損耗。此外，還有許多基于SE 的改進模型被用來計算方波等非正弦激勵下的磁芯損耗[1]。

2降低電力變壓器損耗的重要性

現階段，大型變壓器運行的低效高耗能問題會比較嚴重，且其問題頻繁的發生，其在電力輸電系統當中所產生的阻礙性效果會比較強，會拉低總體設備運行的經濟性。產生這一問題的主要原因就是工作人員沒有正確的理解變壓器的利用率，導致其產生了誤區性的問題，并不會利用時間以及公式去精確地計算各類參數，隨意性地應用各類規格的設備。其會認為變壓器利用率數值會和變壓器的損耗呈反比的關系，會用其設備的利用率來評斷其設備的經濟運行有效狀態。一臺變壓器可以承擔的負載不能使用兩臺設備，若其容量比較小的變壓器可以承擔該負載，那么，就需要使用大容量的變壓器，這種錯誤性的認知會直接影響變壓器經濟的良好運行，同時，還會產生較嚴重的電能浪費等的問題。雖然電力變壓器的運行效率較高，但是，其在數量以及容量層面的影響下，使得其總能耗數值比較高。對此，要不斷地提升大型電力變壓器的運行效率，不斷地減小其設備的自身能耗，增強各類資源的使用價值以及效益[2]。

3電力變壓器損耗分析

隨著電力企業的降損增效意識的不斷增強，電力網電能損耗的計算和分析工作越來越受到重視。變電站作為電力網的重要組成部分，其經濟運行水平直接關系到電網企業的經濟效益。而在變電站的主要設備中，變壓器在運行過程中產生的電能損耗非常大，可占全站總損耗的30%以上。因此，研究變電站的經濟運行時，變壓器的損耗與經濟運行是研究的一項重點內容。同時，目前變電站損耗管控僅局限于計量數據的簡單統計，無法及時準確地掌握各部分的損耗信息，且缺乏智能降耗的手段。研究變電站變壓器的損耗計算與節能降耗，是變電站損耗監測與智能降耗的前提條件，是建設現代化智能變電站的必要內容。對于運行中的變電站，變壓器的損耗與變電站變壓器配置情況、變壓器類型以及運行方式有關。研究變電站中變壓器節能降耗，首先需要明確變電站主接線情況，分析變壓器的各種運行方式，計算當前運行方式下的損耗信息，同時通過計算、分析，評估損耗最小的、最經濟的運行方式[3]。

4降低電力變壓器損耗的優化設計措施

（1）合理布局配電變壓器。首先，需要設定好10kV 電力變壓器的位置點，之后，要以其位置對方案進行優化以及調整，就其優化的結果分析和探究，設定好35kV 及更高電壓的配電變壓器位置。但是，其設備在實際運行時期，負荷的不穩定性會比較強，因此，在開展設計工作時期，要綜合性地分析這類不確定的因素，將其因素考慮其中，不斷地提升電力運行的安全可靠程度，最大限度地降低故障的發生概率，保障其分布的合理性，同時，提高其總體的電力使用率。

（2）合理配置電網的補償裝置。首先，需要增設無功補償的設備，使得其功率的因數變得更高。在電網線路中，其所安裝的電容器要和其相匹配，這樣可以讓電網內的無功補償能力變得更強。電容器具有充放電兩類基礎的性能，讓電網線路的無功功率補償的能力變得更強，提升其功率因數，減小其設備以及線路輸送電力時期的損耗，提升其供電的效率以及質量。其次，需要合理化地分布無功功率，將其重心放置到該層面，不斷地減小發電機以及電網的供電效率，保障其配置的合理性，控制好無功功率的運輸距離，另外，還需要精確地計算其他方式的損耗，并做好相應的補償工作。

（3）采用新型低阻導線及線圈。目前已開展使用的高溫超導配電變壓器，采用超導材質的導線替代傳統的銅芯導線，除了降低變壓器的損耗外，還間接提高了變壓器抵抗短路電流的能力。同時，還要采用新型繞組結構和采用新型線圈布置方式這兩種新的結構布置形式。新型繞組結構可采用自粘型換位導線來控制漏磁走向，減小變壓器繞組的損耗;新型線圈布置方式可根據渦流的方向，合理選用縱向或橫向線圈布置形式，控制渦流損耗以降至最小，進而減小變壓器的運行損耗。

5結束語

綜上所述，為確保配電變壓器處于經濟運行狀態，要盡量保持在最佳負載系數附近工作;選擇容量經濟的配電變壓器;盡可能在經濟運行區內工作，尤其是在最佳運行區內工作;從制造、更新和技術方面優化配電變壓器。

參考文獻

[1] 王超，丁向榮.配電變壓器經濟運行方式與控制實現的研究[J].煤礦機械，2013，34（10）：202-204.

[2] 涂春鳴，黃紅，蘭征，等.微電網中電力電子變壓器與儲能的協調控制策略[J].電工技術學報，2019，34（12）：2627-2636.

[3] 李子欣，高范強，趙聰，等.電力電子變壓器技術研究綜述[J].中國電機工程學報，2018，38（5）：1274-1289.