高效配電變壓器設計與性能分析

梁浩維，眭紅蕊

（國網(wǎng)陜西省電力有限公司渭南供電公司，陜西 渭南 714300）

0 引 言

配電變壓器作為電力系統(tǒng)中的關鍵組件，用于將高壓輸電線路送來的電能轉(zhuǎn)換為低壓電能，以供給用戶使用。然而，傳統(tǒng)配電變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中存在能量損耗較大、效率不高的問題，不僅影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還導致了能源的浪費和能源利用效率低下。為了提高電力系統(tǒng)的能源利用效率和經(jīng)濟性，研究高效配電變壓器的設計原理和性能分析顯得尤為重要。

1 配電變壓器原理與類型

1.1 配電變壓器的原理

配電變壓器是一種用于變換電壓和電流的重要設備，工作原理基于電磁感應定律。在配電變壓器中，有2個相互絕緣的線圈，分別稱為主線圈（高壓線圈）和副線圈（低壓線圈）。當主線圈通入交流電源時，由于交變電流的存在，主線圈中會形成交變磁場。這個交變磁場會穿透到副線圈，由于磁通連續(xù)性的原理，副線圈中也會產(chǎn)生相應的交變電勢，從而使得副線圈的電壓發(fā)生變化。

根據(jù)電磁感應定律，當副線圈中的匝數(shù)較主線圈大（N2＞N1）時，副線圈的電壓會降低，稱為降壓變壓器；反之，當副線圈的匝數(shù)較主線圈?。∟2＜N1）時，副線圈的電壓會升高，稱為升壓變壓器。這樣配電變壓器能夠?qū)⒏邏旱碾娔苻D(zhuǎn)換為低壓的電能，或者將低壓的電能轉(zhuǎn)換為高壓的電能，以適應不同電力系統(tǒng)的需求[1]。

1.2 配電變壓器的結(jié)構

配電變壓器的結(jié)構如圖1所示，通常由鐵心、繞組以及外殼等部分構成。鐵心由硅鋼片疊壓而成，用于支撐和導磁，能有效減少鐵損與渦流損耗。繞組由導電線圈組成，分為主線圈和副線圈，用于電能的輸入和輸出。外殼則用于保護變壓器的內(nèi)部零部件，具備散熱和絕緣功能[2]。

圖1 配電變壓器的結(jié)構

2 高效配電變壓器的設計原理

2.1 能量損耗與效率分析

在高效配電變壓器的設計中，能量損耗和效率是重要的考慮因素。能量損耗主要包括鐵損耗和銅損耗，其中鐵損耗是鐵心在交替磁場中受到磁滯和渦流效應的影響而產(chǎn)生的損耗，而銅損耗則是變壓器繞組中的電流流經(jīng)導線時由于其電阻而產(chǎn)生的損耗。

鐵損耗可以表示為

式中：k鐵為鐵損耗系數(shù)；f為變壓器頻率；B為變壓器磁感應強度；V為變壓器體積。

銅損耗可以表示為

式中：I為變壓器電流；R為繞組電阻。

配電變壓器的總損耗可以表示為

效率可以表示為輸出功率與輸入功率之間的比值，即

高效配電變壓器的設計目標是盡量降低能量損耗，提高效率。通過合理選擇鐵心材料和繞組導線材料，優(yōu)化變壓器的結(jié)構和設計參數(shù)，可以減少能量損耗，提高效率，實現(xiàn)高效能的電能轉(zhuǎn)換[3]。此外，采用高級的絕緣材料和散熱設計，提高變壓器的絕緣性能和散熱性能，進一步提升整體的高效性能。

2.2 磁路設計與磁材料選擇

在高效配電變壓器的設計中，磁路設計和磁材料選擇是關鍵步驟。磁路設計涉及鐵心的形狀、尺寸和繞組的布置，而磁材料選擇則包括選擇合適的鐵心材料，以確保磁路的高效傳導。

對于磁路設計，需要考慮鐵心的幾何形狀，如矩形、圓形、E型、I型等，以及鐵心的尺寸和繞組的布置方式。本文選用的是如圖2所示的矩形磁路。合理的磁路設計可以降低鐵心的磁阻，減少磁路中的磁損耗。

圖2 配電變壓器的矩形磁路

磁材料的選擇對于變壓器的性能至關重要。常用的磁材料主要有硅鋼片和鐵氧體。硅鋼片具有較低的磁導率和較高的電阻率，適用于低頻率的應用，如配電變壓器。鐵氧體材料具有較高的磁導率和較低的電阻率，適用于高頻率的應用，如高頻變壓器。正確選擇磁材料可以降低磁滯損耗和渦流損耗，提高磁路的傳導效率。此外，在磁路設計和磁材料選擇中，需要綜合考慮變壓器的工作條件和要求，如輸入電壓、輸出電壓、負載情況等，還需兼顧成本因素和制造工藝的可行性。通過優(yōu)化磁路設計和選擇合適的磁材料，可以提高變壓器的磁路效率，實現(xiàn)高效配電變壓器的設計目標。

2.3 繞組設計與銅損耗優(yōu)化

在高效配電變壓器的設計中，繞組設計和銅損耗優(yōu)化非常重要，因為繞組是變壓器的核心部分，直接影響電流傳輸和能量轉(zhuǎn)換的效率。在繞組設計中，需要考慮繞組的匝數(shù)、截面積以及線徑等參數(shù)。合理的繞組設計可以降低繞組的電阻，減少銅損耗。一種常見的優(yōu)化方法是采用多層繞組，將繞組分成多個繞組層，從而減小每層繞組的線徑，降低電阻，提高繞組的導電效率[4]。

另外，在繞組設計中需要考慮絕緣材料的選擇和繞組的散熱設計。合適的絕緣材料可以有效防止繞組之間和繞組與鐵心之間的電氣擊穿，提高繞組的絕緣性能[4]。同時，優(yōu)化的散熱設計可以降低繞組的溫升，減少繞組的熱損耗。

3 高效配電變壓器性能分析

3.1 實驗測試與數(shù)據(jù)采集

為分析高效配電變壓器的性能表現(xiàn)，本文進行了高效配電變壓器的能量損耗測試。首先，設置變壓器的工作條件，輸入電壓為220 V，輸出電壓為110 V，額定頻率為50 Hz；其次，記錄變壓器的額定電流和額定功率；再次，連接變壓器輸入端和輸出端的電能表，用于測量輸入電能和輸出電能；最后，打開電源，待變壓器工作穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)采集。采集的測試結(jié)果如表1所示。

表1 高效配電變壓器能量損耗測試結(jié)果

3.2 性能參數(shù)計算與分析

根據(jù)表1的測試結(jié)果，可以進行以下性能參數(shù)計算。高效配電變壓器的效率可以通過輸出功率和輸入功率的比值來計算，公式為

能量損耗可以通過輸入電能和輸出電能的差值來計算，公式為

性能參數(shù)計算結(jié)果如表2所示，高效配電變壓器在3組測試數(shù)據(jù)中的效率分別為98.70%、97.22%和98.65%。從結(jié)果來看，整體上高效配電變壓器的效率表現(xiàn)較好，基本保持在較高的水平。這意味著變壓器在將輸入電能轉(zhuǎn)換為輸出電能的過程中，能夠降低能量損耗，有效提高了能源利用效率。尤其在序號1和序號3的測試中，效率接近99%，表明該高效配電變壓器在這些情況下的能量轉(zhuǎn)換效率非常高。在能量損耗方面，高效配電變壓器在3組測試數(shù)據(jù)中的結(jié)果分別為0.400 W、0.480 W和0.563 W。這些能量損耗值相對較小，表明高效配電變壓器在電能轉(zhuǎn)換過程中能夠有效減少能量損失。較低的能量損耗不僅有助于節(jié)省能源，還能減少變壓器在運行中產(chǎn)生的熱量，提高其工作效率和壽命。

表2 性能參數(shù)計算結(jié)果

3.3 與傳統(tǒng)變壓器性能的對比分析

高效配電變壓器與傳統(tǒng)變壓器的性能對比分析是為了評估高效配電變壓器在電力系統(tǒng)中的優(yōu)越性和潛在改進空間。結(jié)果表明，高效配電變壓器在效率、能量損耗和整體性能方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，具有較高的效率，能夠?qū)⑤斎腚娔艹浞洲D(zhuǎn)換為輸出電能，減少能量損耗，提高能源利用效率。相比之下，傳統(tǒng)變壓器的效率較低，能量損耗較大。綜合考慮效率和能量損耗，高效配電變壓器整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)變壓器。然而，高效配電變壓器在一些特殊應用場景或大規(guī)模應用時可能面臨一些技術挑戰(zhàn)和成本壓力[5]。因此，在實際應用中需要綜合考慮設備的成本、技術可行性以及特定應用場景的需求，找到最適合的變壓器解決方案。

4 結(jié) 論

高效配電變壓器為電力系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行做出更大的貢獻。未來的研究方向可以進一步探索高效配電變壓器在不同應用場景下的優(yōu)化設計和性能改進，以滿足電力系統(tǒng)對能源高效利用的迫切需求，還可以研究配電變壓器與其他能源技術的融合應用，促進能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。