高效配電變壓器的設計與性能分析

王俊杰

（國網韓城市供電公司，陜西 韓城 715400）

0 引 言

隨著社會對電能需求的不斷增加，配電變壓器作為電能傳輸和分配的關鍵器件，在電能傳輸領域扮演著重要角色。傳統的配電變壓器在電能傳輸過程中存在損耗高和效率低下等問題，不僅會造成能源浪費，還影響電網運行的穩定性和可靠性，因此進行高效配電變壓器的研究和設計至關重要[1]。現階段，人們廣泛關注能源的可持續發展和環境保護問題，使得人們愈發重視高效配電變壓器的能源利用效率。高效配電變壓器采用先進的材料、優化的磁路設計、高效的冷卻系統，能顯著降低能量損耗和溫升，提高能源利用效率和運行穩定性。通過實驗和數據采集，比較不同設計方案的性能指標，探討其在電能傳輸中的優越性，研究高效配電變壓器的設計和性能分析，可為能源發展和電網的穩定運行提供有力支撐，為環境保護和可持續發展做出貢獻。

1 相關技術綜述

1.1 配電變壓器的基本原理

配電變壓器是電能傳輸和分配的關鍵設備，基于電磁感應定律工作[2]。配電變壓器的工作原理如圖1 所示，其中e1與e2代表電荷量，i1、i2代表電流，u1、u2代表電壓值，Z代表阻值。

圖1 配電變壓器工作原理

在配電變壓器工作時，交流電流通過初級線圈產生磁場，感應出次級線圈的電動勢，實現電能在不同電壓之間的轉換[3]。變壓器通過精確的線圈匝數比，將輸入端的高電壓轉換為輸出端的低電壓，或者相反，從而實現電能的高效傳輸和分配。配電變壓器在電能傳輸過程中產生的能量損耗較小，因此廣泛應用于電力系統。

1.2 高效配電變壓器的設計要點

為進一步提高配電變壓器的效率和性能，設計高效配電變壓器成為研究的重點。在設計高效配電變壓器時，需要綜合考慮多個要點。第一，要選擇低損耗材料。選用的材料要具有低導磁損耗和低渦流損耗特性，降低變壓器在能量傳輸過程中的損耗，提高能源的傳輸效率[4]。第二，進行磁路設計的優化。通過優化磁路結構并使用高性能磁芯材料，可以降低磁通密度泄漏和鐵損耗，提高變壓器的磁能利用率，實現更高效的能量傳輸。第三，合理設計冷卻系統。穩定的溫度對于變壓器的運行穩定性至關重要。通過優化冷卻系統，可以有效保證變壓器在運行過程中溫度的穩定，有效防止設備產生過熱損耗，確保高效配電變壓器高效穩定地進行能量傳輸。通過深入研究和優化來設計高效配電變壓器，可為電能傳輸提供更加可靠和高效的解決方案，推動電力系統實現可持續發展。

2 設計與模擬方法

2.1 設計流程

高效配電變壓器的設計流程主要包括以下幾個關鍵步驟。第一，收集所需參數，明確設計要求和約束條件。第二，選擇合適的材料，盡量采用低損耗材料，降低能量傳輸過程產生的損耗，提高能源利用效率。第三，進行磁路設計優化，采用有限元分析等方法，優化磁路結構，選用高性能磁芯材料，降低磁通密度泄漏和鐵損耗，提高磁能利用效率[5]。第四，改進并合理設計冷卻系統，確保變壓器在運行過程中溫度的穩定，防止產生過熱損耗，保障能量高效穩定傳輸。第五，優化設計方案，得到最佳的高效配電變壓器設計方案。

2.2 模擬方法

模擬方法是通過有限元分析等模擬軟件來驗證和優化設計方案。在模擬過程中，需要綜合考慮材料的物性參數、磁路結構、繞組的電學特性等，獲取高效配電變壓器的各項性能指標，如能效、溫升等。通過分析模擬數據，深入了解不同設計方案的性能差異，尋求優化設計的關鍵點。例如，通過模擬方法可以定量比較不同材料的導磁損耗和渦流損耗，分析不同磁路結構下的磁通密度分布情況，不同冷卻系統的溫度分布，通過不斷驗證和優化設計方案，提升高效配電變壓器的性能，為電能傳輸提供更加高效可靠的解決方案。

3 實驗與數據采集

3.1 樣本制備

在高效配電變壓器的研究中，制備樣本是確保實驗數據準確性和可靠性的重要步驟之一。首先，需要根據設計要點和參數確定多個樣本的規格和結構。其次，選擇合適的低損耗材料作為樣本的核心材料，確保材料的物性參數符合設計要求。最后，按照設計方案精確制作線圈，保證匝數比例和繞組準確。在樣本制備過程中，要嚴格控制工藝和制造誤差，確保樣本的一致性和可比性。

3.2 實驗數據采集

實驗數據采集的準確性是評估高效配電變壓器性能的關鍵。為確保研究的準確性和可靠性，設定不同負載條件和工作電壓，并記錄樣本溫升數據和負載特性數據。針對不同設計方案樣本，設定不同的負載水平，同時實時采集樣本的輸入功率和輸出功率，得到樣本在不同負載下的能效表現。對于配電變壓器來說，溫升直接影響變壓器的運行穩定性和壽命。因此，在不同負載條件下記錄樣本的溫升數據，并與設計要求進行對比分析，有助于尋求低溫升的設計方案。

4 性能分析與結果討論

為測試設計方案的能效，將對A、B、C 共3 種設計方案進行能效對比。方案A 指使用傳統磁芯材料（即普通硅鋼）而沒有優化磁路設計的方案；方案B 指使用低損耗硅鋼和絕緣材料，并進行精確磁路設計，采用液冷系統的設計方案；方案C 指采用高質量硅鋼材料并進行簡單磁路設計，且依舊采用風冷的方案。通過電能、熱能以及機械能進行能效分析測定，從而判定不同方案設計的差異。

4.1 能效分析

通過對比分析不同設計方案的能效，尋求最佳的高效配電變壓器能源利用方案。不同設計方案能效指標的比較情況如表1 所示。

表1 不同設計方案的能效指標比較 單位：%

由表1 可知，方案B 在所有設計方案中電能和機械能最高，達到98.2%和94.1%，證明在設計中采用低損耗材料和優化磁路結構能夠顯著提高配電變壓器的能源利用效率。

4.2 溫升分析

溫升是評估高效配電變壓器穩定性的重要指標之一。樣本在不同負載條件下的溫升數據如表2所示。

表2 不同負載條件下的溫升數據

由表2 可知，方案B 在所有負載條件下的溫升低于樣本A 和樣本C。以75%負載為例，方案B 的溫升為52.6 ℃，而樣本A 和樣本C 的溫升分別為58.3 ℃和54.9 ℃。可見，樣本B 在高負載條件下具有更好的溫升性能，證實了冷卻系統的優化對于提高變壓器的穩定性至關重要。低溫升意味著高效配電變壓器在電能傳輸過程中更少的能量損耗，有利于變壓器穩定運行，延長變壓器的使用壽命。

4.3 負載特性分析

負載特性是評估高效配電變壓器在不同負載條件下性能的重要指標之一。測試和比較不同設計方案在不同負載條件下的性能參數，了解各高效配電網變壓器設計方案的性能差異和優勢，性能參數如表3所示。

表3 不同負載條件下的性能參數

由表3 數據可知，不同設計方案在不同負載條件下的性能參數有所差異，方案B 的性能參數相較于方案A 和方案C 表現更優異，具有更好的負載適應性，能在不同負載需求下保持較為優異的性能。相比而言，方案B 更能有效地滿足電能傳輸需求，輸出更加適配的電壓。

5 結 論

通過設計高效配電變壓器并進行能效、溫升、負載特性分析發現，采用低損耗材料、優化磁路結構、改進冷卻系統的設計方案能顯著提高變壓器的能源利用效率、穩定性、適應性，對于推進能源的高效利用、減少能源浪費、提升電力系統的可靠性和穩定性具有重要意義。