降壓式SVG用變壓器鐵芯結構優化

秦兆杰,趙立勝,李世杰,安衛正,張 靜

(河北電力裝備有限公司,河北 邯鄲 056000)

0 引言

降壓式SVG中的變壓器是SVG主機與供電電網連接溝通的主要路由,主要承擔降壓和為回路提供電感兩種工作,其空載損耗的高低對于整機在發電側的無功補償有重大影響[1]。鐵芯作為變壓器的核心部件之一,在電能傳遞過程中扮演著傳導磁通、減少損耗的重要角色,其空載損耗主要為磁滯、渦流和鐵芯附加三類[2]。本文著重探討鐵芯結構優化的方法對于變壓器空載損耗的影響,通過對比常規結構和優化后結構的性能差異,展示了優化設計在提高變壓器效率和節約能源方面的潛力。

1 鐵芯結構分析及優化原理

1.1 結構分析

空載電流在變壓器繞組上產生的電阻損耗和絕緣介質中產生的損耗很小[3],所以鐵芯疊片的損耗是變壓器空載損耗的主要組成部分[4]?？蛰d損耗與硅鋼片的性能參數以及磁通截面積有密切關系[5]。鐵芯的長度越長,鐵芯疊片間的搭接面積越大,主磁通的傳導效果越差,空載損耗也越大[6]。因此,合理的改變鐵芯結構,在保證鐵芯機械強度和繞組線圈的滿足要求的情況下,適當地減少硅鋼片的用量對于減少損耗、提高主磁通傳導效率有至關重要的意義。傳統的鐵芯設計多采用多級多片矩形硅鋼片堆疊組成的“類長圓形”芯柱截面,以最大程度增加磁通面積,增強磁通密度,從而減少損耗。

將鐵芯堆疊結構簡化定為主級、次級、次末級和末級等4級,同時定義“窗高”為上鐵軛下表面最低面到下鐵軛上表面最高面,如圖1所示。

圖1 常規鐵芯簡圖

1.2 優化原理

優化的核心在于通過調整鐵芯結構來實現性能的提升。

變壓器空載損耗的計算公式如下:

P0=KP0×ptx×Gtx

(1)

式中:P0為空載損耗(W);KP0為空載損耗工藝附加系數;ptx為鐵芯硅鋼片單位損耗(W/kg);Gtx為鐵芯硅鋼片總重量(kg)。

由式(1)可知,工藝系數KP0為工程經驗數據,可以視為定值;在硅鋼片型號確定后,單位損耗ptx也是一個定值,因此在變壓器設計中,鐵芯重量的優化空間相對較大[6]。在鐵芯的各個參數中,芯柱截面積對磁通量的影響較大,為保證變壓器容量、變比等參數不變,鐵芯的截面積和線圈容量必須保持不變,即主級“窗高”保持不變。因而針對芯柱不同級別的堆疊層,提出了優化方案:通過降低上鐵軛主級以外的部分堆疊層,對稱提高主級以外下鐵軛的部分堆疊層,以實現芯柱在部分截面上高度的減少[7]。此外,次級和次末級芯柱部分也可通過類似的方法進行優化,優化后可通過去掉芯柱的一部分來降低鐵芯重量[8]。

2 優化的方法流程與仿真驗證

2.1 優化方法流程

基于上述原理,提出鐵芯優化方法流程如下:①根據要求確定變壓器初始設計參數,主要包括鐵芯的級別和幾何尺寸,初步確定了鐵芯的重量和堆疊方式。②對鐵芯的既有堆疊方式做優化調整。在保證上下鐵軛截面積不變的情況下,通過對芯柱主級堆疊層以外的部分進行調整,經優化調整后的上下鐵軛堆疊層的結構,降低了芯柱高度。③對芯柱次級和次末級的堆疊層部分也采用類似的策略優化。特別注意的是在設計優化過程中,要保證磁通面積的不變,以滿足變壓器的最終性能要求。優化流程如圖2所示。

圖2 優化流程圖

優化前后的結構對比如圖3和圖4所示。

圖3 常規鐵芯及優化后鐵芯結構對比

圖4 常規芯柱及優化后芯柱對比

2.2 仿真與實例結果分析

按照優化后的鐵芯結構,利用ANSYS EM軟件建立仿真模型,模型三維圖如圖5所示。選擇鐵芯材料,配置激勵參數后開始仿真,優化前的鐵芯空載損耗如圖6所示。優化后鐵芯損耗如圖7所示。

圖5 變壓器三維模型

圖6 優化前鐵芯空載損耗

圖7 優化后鐵芯空載損耗

將圖6與圖7的鐵芯損耗數據導出[9],選取部分典型的時間節點處的數據做對比計算,結果見表1。

表1 鐵芯損耗仿真數據表

同時對比鐵芯及線圈的磁感圖,如圖8所示。通過表1和圖8可以看出,在變壓器鐵芯和線圈磁通不變的情況下,鐵芯結構的優化降低了變壓器鐵芯空載損耗[10]。以容量為3 500 kVA的變壓器為例,通過實際生產數據,對比了常規結構和優化后結構在重量和空載損耗方面的性能差異,結果見表2。優化后的變壓器鐵芯重量相對減少了26 kg/臺,空載損耗也相應降低了31 W。

圖8 變壓器磁力圖

3 結論

本研究驗證了對變壓器鐵芯結構優化有效地提高了變壓器效率和降低了損耗。通過調整鐵芯的結構,可以實現重量的減少和空載損耗的降低,從而提高變壓器的效率[11],而降壓式SVG中用到的變壓器處于電網與無功功率調節核心的能量交換節點,變壓器空載損耗的降低,也提高了整機的工作效率。