節(jié)能型配電變壓器的優(yōu)化設(shè)計及其軟件開發(fā)

劉 政

（埃斯凱電氣（天津）有限公司，天津 300308）

0 引言

現(xiàn)如今節(jié)能與環(huán)保越來越受到各國的重視，我國的《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》詳稿中也明確要求“十二五”期間要降低電力變壓器的損耗，其中空載損耗降低10 %～13 %，負載損耗降低17 %～19 %。2013年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》公告，并于同年10月1日實施。加上近年來國網(wǎng)對配電變壓器需求多為節(jié)能型產(chǎn)品，節(jié)能型配電變壓器已成為市場主流需求。該文闡述了節(jié)能型配電變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)，低壓線圈結(jié)構(gòu)的確定依據(jù)，空、負載損耗，短路阻抗的計算方法。采用循環(huán)遍歷法，建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Excel中的VB和Access數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出了一種易操作、易編輯應(yīng)用于節(jié)能型配電變壓器的設(shè)計軟件，縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，降低了產(chǎn)品成本。

1 節(jié)能型配電變壓器的設(shè)計

1.1 鐵芯的確定

鐵芯采用長圓形結(jié)構(gòu)，與圓形結(jié)構(gòu)鐵芯相比較其優(yōu)點在于當(dāng)二者截面積相同時，長圓形截面的鐵芯具有更高的填充系數(shù)。在空間上，長圓形鐵芯結(jié)構(gòu)又能使兩相線圈間的中心距縮小，這樣產(chǎn)品的橫向尺寸也會相應(yīng)減小。

1.2 低壓線圈的確定

當(dāng)?shù)蛪壕€圈選用箔繞形式時，為了滿足溫升的需要，會在低壓線圈層間加入氣道，這就將低壓線圈分為內(nèi)、外2個部分，2個部分線圈層數(shù)分布對低壓線圈整體溫升的影響較大。根據(jù)低壓線圈溫升計算公式可知，低壓箔式繞組靠近鐵芯側(cè)不計散熱面積，也就是說靠近鐵芯部分的內(nèi)線圈只有一個散熱面，外線圈有2個散熱面。此時可采取將低壓線圈總匝數(shù)的1/3作為內(nèi)線圈的匝數(shù)，其余的2/3作為外線圈的匝數(shù)的方法，這樣內(nèi)線圈的發(fā)熱量約為整個線圈的1/3，外線圈為整個線圈的2/3，與二者散熱面積成比例，一般經(jīng)過計算兩部分溫升基本相同，低壓線圈散熱均勻，有利于延長變壓器壽命。另外，加入的氣道條的數(shù)量也要合理，氣道條數(shù)量太多會遮擋過多的線圈散熱面積，不利于線圈散熱，加入的氣道條太少則會支撐不了外線圈，使其不成型，出現(xiàn)凹陷的情況。

1.3 空載損耗

空載損耗工廠計算方法為：P0=Kp0×p0×G

式中：Kp0-空載損耗附加系數(shù)；p0-硅鋼片的單位損耗，W/kg；G-鐵芯質(zhì)量，kg。

1.4 負載損耗

變壓器的負載損耗是電阻損耗、附加損耗引線損耗、雜散損耗的總和，即：P=Pr+Pfz+PyX+PzS

式中：Pr-電阻損耗；Pfz-附加損耗；Pyx-引線損耗；Pzs-雜散損耗。

1.5 短路阻抗

短路阻抗可根據(jù)漏磁場能量法進行計算：變壓器中存在漏磁場，漏磁場存儲于繞組中的能量稱為漏電抗，因此繞組中存在有功分量和無功分量，即繞組的電阻電壓和電抗電壓。這樣短路阻抗電壓（Uzk，%）與電阻電壓（Ur）和電抗電壓（Ux，%）的關(guān)系為：

電抗壓降百分?jǐn)?shù)計算公式：

式中，f-頻率，Hz；N-額定分接時總匝數(shù)；I-額定電流，A；Hx-2個繞組平均電抗高度， mm。

其中：

eZ-每匝電勢，V/匝；Hx1、Hx2-分別為低壓、高壓繞組有效電抗高度， mm；ΣD-等值漏磁空道面積， mm2。

電阻壓降百分?jǐn)?shù)計算公式：Ur=Pfz/10SN，式中，Pfz-負載損耗， W；SN-額定容量，kVA。

將電阻、電抗壓降百分?jǐn)?shù)計算結(jié)果帶入短路阻抗計算公式即可。

2 軟件設(shè)計

變壓器輔助設(shè)計程序需要實現(xiàn)2個功能，一是優(yōu)化設(shè)計功能；二是手動調(diào)節(jié)功能。當(dāng)電磁方案優(yōu)化后，可以根據(jù)實際情況做適當(dāng)?shù)氖謩诱{(diào)整，得到結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越且適于生產(chǎn)的方案。

2.1 優(yōu)化設(shè)計功能

優(yōu)化設(shè)計是以計算機為手段，根據(jù)性能目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優(yōu)設(shè)計方案。節(jié)能變壓器約束條件主要有3方面，一是電性能參數(shù)約束條件，要符合GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》及相關(guān)國標(biāo)要求。二是外形尺寸約束條件，如高低壓繞組軸向高度、軸向厚度，鐵芯窗寬、窗高。三是材料和工藝的約束條件，如硅鋼片單位損耗、最大磁密、導(dǎo)線電密以及規(guī)格等。

2.2 手動調(diào)節(jié)功能

手動調(diào)節(jié)的目的是對優(yōu)化后得到的方案進行修改，使修改后的方案滿足公司實際生產(chǎn)條件，并能和同類型產(chǎn)品形成通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

2.3 編程語言和數(shù)據(jù)庫的選擇

編程語言選用Excel中的VB，其優(yōu)點在于語句簡單、結(jié)構(gòu)清晰且易于實現(xiàn)，另外還可以利用Excel中的單元格靈活劃分區(qū)域。數(shù)據(jù)庫選用Access，它具有靈活的接口，操作簡單，并可以與VB連接。在Excel的VB中，只需使用簡單語句，就能方便、快速地操作Access 創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫。

2.4 建立數(shù)學(xué)模型

變壓器優(yōu)化設(shè)計方向有2種：1）保證變壓器成本不變，盡可能地降低損耗。2）保證變壓器容量不變，盡可能地降低材料成本。為了獲取最大效益，生產(chǎn)廠家大多會選擇第二種為設(shè)計方向，也就是將有效材料成本最低作為目標(biāo)函數(shù)：minF（X）=PFe×GFe+PGU×GGU，X=（x1ΛxN）T，gi（X）＜ 0（i=1Λm），hj（X）=0（j=1Λn）。其中，F(xiàn)（X）- 目標(biāo)函數(shù)，PFe-硅鋼片單價，GFe-硅鋼片重量，PGu-銅導(dǎo)線單價，GGU-銅導(dǎo)線的重量，gi（X）和hj（X）為約束條件，X為設(shè)計變量。

2.5 優(yōu)化算法的選擇和實現(xiàn)

變壓器目標(biāo)函數(shù)屬于一個無明顯表達式的離散型變量問題的求解，因此可選用循環(huán)遍歷法。此算法程序流程清晰，易于修改和擴展，可以針對設(shè)計變量的每個組合進行目標(biāo)函數(shù)計算。通過對目標(biāo)值的比較，選出最佳方案。圖1為變壓器電磁計算程序流程，程序開始運行后，用戶需輸入必要的參數(shù)，程序先運行鐵芯直徑循環(huán)，結(jié)合所選硅鋼片型號可確定出最大磁密和最小磁密，結(jié)合鐵芯直徑可得出低壓匝數(shù)循環(huán)上下限值。結(jié)合輸入的電壓比得出匝電壓循環(huán)上下限值，以此類推，直到滿足用戶輸入的參數(shù)，即可輸出變壓器電磁計算方案。

3 設(shè)計實例

該文以SCB-1000/10-NX2節(jié)能配電變壓器為例，2種方案均依據(jù)GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》及相關(guān)國標(biāo)。表1是原始方案與優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)，從表1中可以看出，優(yōu)化方案的空載損耗、低壓繞組溫升小于原始方案，負載損耗、總損耗、高壓繞組溫升大于原始方案，但符合上述標(biāo)準(zhǔn)的要求，優(yōu)化方案的材料成本比原始方案降低了3.3 %，由此可見軟件優(yōu)化設(shè)計可以提高產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

4 結(jié)語

圖1 程序流程圖

表1 優(yōu)化方案與原始方案數(shù)據(jù)

該文說明了節(jié)能型配電變壓器的空、負載損耗和短路阻抗的電磁計算方法和基于Excel中VB編程語言開發(fā)節(jié)能變壓器優(yōu)化設(shè)計程序要點，采用Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，集優(yōu)化設(shè)計、手工調(diào)整、計算單自動輸出于一體，此外，除了計算實例中的二級能效變壓器，該程序還可以計算一級、三級能效等級的變壓器以及空、負載損耗有特殊要求的變壓器，計算時只需在程序開始時輸入相應(yīng)的空、負載要求值即可。