王俊杰
（國網(wǎng)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(guān)鍵器件，在電能傳輸領(lǐng)域扮演著重要角色。傳統(tǒng)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(fèi)，還影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，因此進(jìn)行高效配電變壓器的研究和設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。現(xiàn)階段，人們廣泛關(guān)注能源的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)問題，使得人們愈發(fā)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(jìn)的材料、優(yōu)化的磁路設(shè)計(jì)、高效的冷卻系統(tǒng)，能顯著降低能量損耗和溫升，提高能源利用效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，比較不同設(shè)計(jì)方案的性能指標(biāo)，探討其在電能傳輸中的優(yōu)越性，研究高效配電變壓器的設(shè)計(jì)和性能分析，可為能源發(fā)展和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐，為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
1 相關(guān)技術(shù)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(guān)鍵設(shè)備，基于電磁感應(yīng)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(shí)，交流電流通過初級線圈產(chǎn)生磁場，感應(yīng)出次級線圈的電動勢，實(shí)現(xiàn)電能在不同電壓之間的轉(zhuǎn)換[3]。變壓器通過精確的線圈匝數(shù)比，將輸入端的高電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的低電壓，或者相反，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸和分配。配電變壓器在電能傳輸過程中產(chǎn)生的能量損耗較小，因此廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。
1.2 高效配電變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
為進(jìn)一步提高配電變壓器的效率和性能，設(shè)計(jì)高效配電變壓器成為研究的重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)高效配電變壓器時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)要點(diǎn)。第一，要選擇低損耗材料。選用的材料要具有低導(dǎo)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(jìn)行磁路設(shè)計(jì)的優(yōu)化。通過優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)更高效的能量傳輸。第三，合理設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。穩(wěn)定的溫度對于變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，可以有效保證變壓器在運(yùn)行過程中溫度的穩(wěn)定，有效防止設(shè)備產(chǎn)生過熱損耗，確保高效配電變壓器高效穩(wěn)定地進(jìn)行能量傳輸。通過深入研究和優(yōu)化來設(shè)計(jì)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
2 設(shè)計(jì)與模擬方法
2.1 設(shè)計(jì)流程
高效配電變壓器的設(shè)計(jì)流程主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。第一，收集所需參數(shù)，明確設(shè)計(jì)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(chǎn)生的損耗，提高能源利用效率。第三，進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用有限元分析等方法，優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，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(jìn)并合理設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，確保變壓器在運(yùn)行過程中溫度的穩(wěn)定，防止產(chǎn)生過熱損耗，保障能量高效穩(wěn)定傳輸。第五，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，得到最佳的高效配電變壓器設(shè)計(jì)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(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在模擬過程中，需要綜合考慮材料的物性參數(shù)、磁路結(jié)構(gòu)、繞組的電學(xué)特性等，獲取高效配電變壓器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如能效、溫升等。通過分析模擬數(shù)據(jù)，深入了解不同設(shè)計(jì)方案的性能差異，尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。例如，通過模擬方法可以定量比較不同材料的導(dǎo)磁損耗和渦流損耗，分析不同磁路結(jié)構(gòu)下的磁通密度分布情況，不同冷卻系統(tǒng)的溫度分布，通過不斷驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的重要步驟之一。首先，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和參數(shù)確定多個(gè)樣本的規(guī)格和結(jié)構(gòu)。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(shù)符合設(shè)計(jì)要求。最后，按照設(shè)計(jì)方案精確制作線圈，保證匝數(shù)比例和繞組準(zhǔn)確。在樣本制備過程中，要嚴(yán)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性是評估高效配電變壓器性能的關(guān)鍵。為確保研究的準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)定不同負(fù)載條件和工作電壓，并記錄樣本溫升數(shù)據(jù)和負(fù)載特性數(shù)據(jù)。針對不同設(shè)計(jì)方案樣本，設(shè)定不同的負(fù)載水平，同時(shí)實(shí)時(shí)采集樣本的輸入功率和輸出功率，得到樣本在不同負(fù)載下的能效表現(xiàn)。對于配電變壓器來說，溫升直接影響變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定性和壽命。因此，在不同負(fù)載條件下記錄樣本的溫升數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對比分析，有助于尋求低溫升的設(shè)計(jì)方案。
4 性能分析與結(jié)果討論
為測試設(shè)計(jì)方案的能效，將對A、B、C 共3 種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行能效對比。方案A 指使用傳統(tǒng)磁芯材料（即普通硅鋼）而沒有優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)的方案；方案B 指使用低損耗硅鋼和絕緣材料，并進(jìn)行精確磁路設(shè)計(jì)，采用液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；方案C 指采用高質(zhì)量硅鋼材料并進(jìn)行簡單磁路設(shè)計(jì)，且依舊采用風(fēng)冷的方案。通過電能、熱能以及機(jī)械能進(jìn)行能效分析測定，從而判定不同方案設(shè)計(jì)的差異。
4.1 能效分析
通過對比分析不同設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案能效指標(biāo)的比較情況如表1 所示。
表1 不同設(shè)計(jì)方案的能效指標(biāo)比較 單位：%
由表1 可知，方案B 在所有設(shè)計(jì)方案中電能和機(jī)械能最高，達(dá)到98.2%和94.1%，證明在設(shè)計(jì)中采用低損耗材料和優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)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(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。樣本在不同負(fù)載條件下的溫升數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 不同負(fù)載條件下的溫升數(shù)據(jù)
由表2 可知，方案B 在所有負(fù)載條件下的溫升低于樣本A 和樣本C。以75%負(fù)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(fù)載條件下具有更好的溫升性能，證實(shí)了冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化對于提高變壓器的穩(wěn)定性至關(guān)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(wěn)定運(yùn)行，延長變壓器的使用壽命。
4.3 負(fù)載特性分析
負(fù)載特性是評估高效配電變壓器在不同負(fù)載條件下性能的重要指標(biāo)之一。測試和比較不同設(shè)計(jì)方案在不同負(fù)載條件下的性能參數(shù)，了解各高效配電網(wǎng)變壓器設(shè)計(jì)方案的性能差異和優(yōu)勢，性能參數(shù)如表3所示。
表3 不同負(fù)載條件下的性能參數(shù)
由表3 數(shù)據(jù)可知，不同設(shè)計(jì)方案在不同負(fù)載條件下的性能參數(shù)有所差異，方案B 的性能參數(shù)相較于方案A 和方案C 表現(xiàn)更優(yōu)異，具有更好的負(fù)載適應(yīng)性，能在不同負(fù)載需求下保持較為優(yōu)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(jié) 論
通過設(shè)計(jì)高效配電變壓器并進(jìn)行能效、溫升、負(fù)載特性分析發(fā)現(xiàn)，采用低損耗材料、優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)、改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案能顯著提高變壓器的能源利用效率、穩(wěn)定性、適應(yīng)性，對于推進(jìn)能源的高效利用、減少能源浪費(fèi)、提升電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。
