【正文】 總的來(lái)說(shuō)在選擇三分頻變壓器的優(yōu)化變量時(shí)應(yīng)遵循以下兩點(diǎn)。 當(dāng)采用循環(huán)遍數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選取連續(xù)變量對(duì)優(yōu)化的速度，精度都會(huì)產(chǎn)生不利的影響，故選擇優(yōu)化變量應(yīng)優(yōu)先考慮離散變量。很顯然，變量越多，設(shè)計(jì)方案的求解越困難。 （ a）材料性能方面的約束 電流密度約束 maxJJ II ? (6) 磁通密度約束 maxBB? （ 7） （ b）性能方面的約束 短路阻抗 m axm in KkBk UUU ?? （ 8） 負(fù)載損耗 kBk PP? (9) 線圈溫升 GBG TT ? （ 10） 空載電流 BII 00? (11) （ c）工藝方面的約束 導(dǎo)線的寬厚比 4\2 ?? ab （ 12） 螺旋式線圈并聯(lián)根數(shù) maxINPINP? （ 13） 單根導(dǎo)線截面積 minmin sss SSS ?? （ 14） 繞組之間的高度差 （ 15） （ 3）優(yōu)化變量 變壓器的設(shè)計(jì)變量選取方法是多種多樣的，如磁通密度 B，線圈 匝數(shù) N，線圈的餅數(shù) M以及每個(gè)線餅的匝數(shù) W等都可以被選為設(shè)計(jì)變量。 (2）約束條件 三分頻電力變壓器的性能參數(shù)和普通變壓器一樣也必須滿足某些限制，在設(shè)計(jì)變量之間也有相互制約的關(guān)系，并且對(duì)于某些量也有約束（如油箱尺寸和運(yùn)輸重量）。其他諸如器身重量、冷卻裝置、變壓器油的用量等由于涉及到很多不規(guī)則的處理方法，不在優(yōu)化考慮之列。 三分頻變壓器的設(shè)計(jì)原理 數(shù)學(xué)模型 （ 1）目標(biāo)函數(shù) 在三分頻變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以把原材料成本、十年變電成本、器身重量、器身高度等作為目標(biāo)函數(shù)。我國(guó)的變壓器標(biāo)準(zhǔn)是率先采用國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品之一，它等效采用了國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況規(guī)定了一些新的要求，或者提出了更高的要求。按照國(guó)際電工委員會(huì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)變壓器，無(wú)疑是變壓器產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)的基本要求。采用的固體絕緣材料有常規(guī)的紙絕緣或耐高溫的絕緣材料，充以硅油，由高等燃點(diǎn)的液體絕緣介質(zhì)，分為混合型、半混合型、復(fù)合型等不同的組合方式，由于價(jià)格適中、環(huán)保性能好，有一定的發(fā)展空間、對(duì) 110kv 級(jí)變壓器，也不失為一種可供選用的產(chǎn)品。 變壓器制造廠如果面對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，就必須按照國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)生產(chǎn)變壓 26 器，只有這樣，供需雙方才有共同的技術(shù)基準(zhǔn)， 才有共同遵循的技術(shù)基礎(chǔ)；在經(jīng)濟(jì)聯(lián)系日益全球化的今天，不少國(guó)家也在互相采購(gòu)變壓器，因而提供給國(guó)際市場(chǎng)的變壓器也必須遵循大家共同遵守的、先進(jìn)的、具有前瞻性的相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，或者遵循采購(gòu)國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從而供需雙方才有共同的技術(shù)基礎(chǔ)。 變壓器的設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 交流電能的廣泛應(yīng)用離不開(kāi)變壓器，電能已深入到人類社會(huì)的每一個(gè)角落，變壓器的應(yīng)用也無(wú)所不在。為了驗(yàn)證三分頻在高磁通密度情況下能否正常運(yùn)行，結(jié)合硅鋼片實(shí)驗(yàn)所得到的 BH曲線；采用 硅鋼片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室用三分頻變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，磁通密度取得較高，為 。但是三分頻變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁容量主要都消耗在了鐵芯接縫氣隙處。其中磁化曲線主要決定變壓器空載電流的大小。且隨著磁通密度的增加，增長(zhǎng)速 25 度沒(méi)有急劇增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)一直非常平穩(wěn)，這也就意味著即使三分頻變壓器工作在較高磁通情況下鐵心也不會(huì)過(guò)熱，這對(duì)三分頻變壓器的設(shè)計(jì)也是有利的。從圖中可以看出，三分頻情況下單位質(zhì)量的有功損耗會(huì)大幅度降低。 （ 1） BH 曲線 圖 41所示為 50Hz和 50/3Hz兩種不同頻率下的 BH 曲線對(duì)比。 硅鋼片試驗(yàn)分析 硅鋼片廠家一般會(huì)提供產(chǎn)品在工頻情況下的基本磁性能數(shù)據(jù)，但沒(méi)有提供三分頻情況下的材料數(shù)據(jù)。 變壓器的空載損耗與硅鋼片的單位質(zhì)量損耗直接相關(guān)，硅鋼片的單位質(zhì)量的損耗理論計(jì)算公 式為： 其中 dkkh , ? 為系數(shù)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由式 (2)可知，在變壓器額定電壓不變的情況下磁通量直接決定了變壓器線圈的匝數(shù)。因此非常有必要對(duì)此變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化，使其在滿足各種性能指標(biāo)的情況下，僅可能降低造價(jià)，從而不影響分頻風(fēng)電系統(tǒng)整體上的經(jīng)濟(jì)性。 由于頻率較低，變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將發(fā)生很大變化。三分頻升壓變壓器是分頻輸電系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，承擔(dān)著將水電或風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的低頻電力升壓以進(jìn)行輸送的功能，其性能和造價(jià)是人們關(guān)心的主要問(wèn) 題。在箱內(nèi)端子排的兩側(cè)，引線應(yīng)接在下面，電纜應(yīng)接在上面，以防電纜絕緣被油侵蝕；引線排列應(yīng)使重瓦斯跳閘端子與正極隔開(kāi)。 （ 3）瓦斯繼電器引出線應(yīng)采用防油線。 瓦斯保護(hù)的反事措施 瓦斯保護(hù)動(dòng)作，輕者發(fā)出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，提醒維修人員馬上對(duì)變壓器進(jìn)行處理；重者跳開(kāi)變壓器開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致變壓器馬上停止運(yùn)行，不能保證供電的可靠性，對(duì)此提出了瓦斯保護(hù)的反事故措施： （ 1）將瓦斯繼電器的下浮筒改為檔板式，觸點(diǎn)改為立式，以提高重瓦斯動(dòng)作的可靠性。 （ 2）片散式冷卻器啟 /停切換控制開(kāi)關(guān) 應(yīng)在自動(dòng)位置，并對(duì)稱間歇分組啟動(dòng)。如果無(wú)氣體，變壓器也無(wú)異常，則可能是二次回路存在故障，值班人員應(yīng)將重瓦斯由掉閘改投信號(hào)，并將情況報(bào)告有關(guān)負(fù)責(zé)人，待命處理。通過(guò)第一項(xiàng)檢查，如未發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)收集繼電器頂部氣體進(jìn)行故障判別。輕瓦斯回路發(fā)生接地、絕緣損壞等故障處理的原則是停止音響信號(hào)。由于溫度下降或漏油，油面降低。以保證接點(diǎn)閉合可靠。 （ 7）浮筒型瓦斯繼電器水銀接點(diǎn)的位置應(yīng)調(diào)整在當(dāng)浮簡(jiǎn)浮起時(shí)，接點(diǎn)之 21 間的距離不小于 4mm。若未經(jīng)常浸入水銀中接點(diǎn)接正極時(shí)，由于水銀蒸氣是導(dǎo)體的原故，長(zhǎng)期運(yùn)行，接點(diǎn)可能損壞，甚至可能使瓦期保護(hù)動(dòng)作。其它類型繼電器的接點(diǎn)正常時(shí)，兩極應(yīng)斷開(kāi)。 （ 5）水銀接點(diǎn)應(yīng)固定牢固。 （ 2）浮筒無(wú)裂紋及凹凸處、玻璃窗應(yīng)完整清晰明亮無(wú)裂紋線； （ 3）水銀接點(diǎn)的水銀面應(yīng)清潔光亮，搖動(dòng)分、合時(shí)水銀流動(dòng)靈活，不應(yīng)掛在玻璃壁和電極上，電極和極尖應(yīng)光亮呈銀白色。 （ 1）玻璃窗、放氣閥、探針處和引出線端子等應(yīng)完整不滲油。 瓦斯保護(hù)與檢驗(yàn) 瓦斯保護(hù)安裝的檢驗(yàn) 瓦斯保護(hù)是電力變壓器內(nèi)部故障檢測(cè)的主要保護(hù)，其安裝和瓦斯繼電器質(zhì)量的好壞，決定 著瓦斯保護(hù)的運(yùn)行效果。目前大多采用 QJ280 型繼電器，其信號(hào)回路接上開(kāi)口杯，跳閘回路接下檔板。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障，使瓦斯繼電器 KG 的下接點(diǎn) KG2 動(dòng)作，接通信號(hào)繼電器 2KS 和中間繼電器 KM，發(fā)出信號(hào)并使斷路器跳閘。 (5)變壓器內(nèi)部存在放電或過(guò)熱故障，引起固體絕緣材料分解，變壓器油分解，產(chǎn)生氫氣、一氧化碳、二氧化碳，低分子烴類氣體這些氣體隨油的對(duì)流循環(huán)逐漸變成大氣泡并上升聚集在瓦斯繼電器上部，迫使繼電器內(nèi)油面降低，引起瓦斯保護(hù)動(dòng)作，發(fā)出信號(hào)。 (3)環(huán)境溫度驟然下降，變壓器本體油很快冷縮造成油位降低，或者變壓器本體嚴(yán)重漏油引起變壓器內(nèi)油位降低，即所謂油流引起瓦斯繼電器動(dòng)作，發(fā)出信號(hào)。二是變壓器熱虹吸器更換吸附劑 (如硅膠 )后，油侵及靜置時(shí)間短，空氣未徹底排凈，由熱虹吸器進(jìn)入本體循環(huán)，進(jìn)而進(jìn)入瓦斯繼電器引起瓦斯保護(hù)動(dòng)作，發(fā)出信號(hào)。 （ 2 空氣進(jìn)入運(yùn)行中的變壓器有三種途徑。 瓦斯保護(hù)的動(dòng)作又可分為以下幾類 (1)空氣進(jìn)入變壓器逐漸聚集在瓦斯繼電器上部，迫使繼電器內(nèi)油面下降。重瓦斯動(dòng)作，立即切斷與變壓器連接的所有電源，從而避免事故擴(kuò)大，起到保護(hù)變壓器的作用。在正常運(yùn)行時(shí)，繼電器內(nèi)充滿油，浮筒浸在油內(nèi)，處于上浮位置，水銀接點(diǎn)斷開(kāi)；檔板則由于本身重量而下垂，其水銀接點(diǎn)也是斷開(kāi)的。 在瓦斯保護(hù)繼電器內(nèi)，上部是一個(gè)密封的浮筒，下部是一塊金屬檔板，兩者都裝有密封的水銀接點(diǎn)。當(dāng)油浸式變壓器的內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，由于電弧將使絕緣材料分解并產(chǎn)生大量的氣體，其強(qiáng)烈程度隨故障的嚴(yán)重程度不同而不同。但是它不能反映油箱外部電路的故障，所以不能作為保護(hù)變壓器內(nèi)部故障的唯一保護(hù)裝置。包括：油箱內(nèi)的多相短路、繞組匝間短路、繞組與鐵芯或與外殼間的短路、鐵芯故障、油面下降或漏油、分接開(kāi)關(guān)接觸不良或?qū)Ь€焊接不良等。因此，接點(diǎn)的閉合，是有沖擊性，為了使接點(diǎn)發(fā)出的脈沖有足夠時(shí)間跳斷路器，出口中間繼電器應(yīng)有自保持回路。為了防止斷路器或信號(hào)的誤動(dòng)作，可以利用壓板，將瓦斯保護(hù)切換至作用信號(hào)，直至不再存在空氣逸出為止。 變壓器在充油或新注入油后，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常打開(kāi)瓦斯繼電器內(nèi)的放氣閥門(mén)，防止油中的空氣在變壓器帶負(fù)載受熱上升。繼電器作用于 信號(hào)的接點(diǎn)，反映了變壓器的輕微故障，故稱為輕瓦斯保護(hù)。如果變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障，將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣體，并出現(xiàn)變壓器油的涌浪，迫使油猛烈地由油箱進(jìn)入油枕，通過(guò)聯(lián)接管道的時(shí)候，要經(jīng)過(guò)瓦斯繼電器，這時(shí)強(qiáng)大的油流沖擊瓦斯繼電器的擋板，使下面一對(duì)水銀觸點(diǎn)閉合，接通跳閘回路，切斷與變壓器連接的所有電源，從而起到保護(hù)變壓器的作用，即繼電器重瓦斯動(dòng)作。 在變壓器正常工作時(shí)，瓦斯繼電器的容器內(nèi)一般是充滿變壓器油的，它的兩對(duì)靈敏水銀觸點(diǎn)是斷開(kāi)的。根據(jù)這一特性，我們可以通過(guò)變壓器油箱內(nèi)的氣體或油，向油枕方向流動(dòng)的情況，來(lái)判斷變壓器內(nèi)部故障的狀態(tài)。因?yàn)闅怏w比油輕，氣體就會(huì)很快上升到變壓器的最高部分— 油枕內(nèi)。這兩個(gè)坡度都是為了防止在變壓器內(nèi)貯存空氣以及故障時(shí)，便于使氣體迅速可靠地沖入瓦斯繼電器，保證瓦斯繼電器靈敏的動(dòng)作。為了能使該變壓器內(nèi)部積聚的氣體經(jīng)過(guò)與瓦斯繼電器聯(lián)接的管道，并順利流入油枕，根據(jù)變壓 器安裝的相關(guān)規(guī)程規(guī)定，應(yīng)當(dāng)把變壓器靠油枕一側(cè)的位置墊高，使變壓器的大蓋沿瓦斯繼電器的方向上高出有 1%～ %的升高坡度，另一個(gè)是變壓器油箱到油枕聯(lián)接管的坡度為 2%～ 4%(這個(gè)坡度是由廠家制造好的 ) 。 （ 3）對(duì)于實(shí)際負(fù)載，變壓器本身應(yīng)具有較佳的損耗比，而且總損耗最小，即空 16 載損耗與負(fù)載損耗之和要盡可能小。負(fù)載曲線的平均負(fù)載系數(shù)越低，為達(dá)到損耗電能越小，要選用損耗比越大的變壓器。 這里討論的配電變壓器容量的計(jì)算方法，主要是針對(duì)高層建筑中所使用的變壓器，即使用干式或環(huán)氧樹(shù)脂澆注變壓器，然而該方法也適用于使用其他配電變壓器的場(chǎng)合。當(dāng)β / j? 從 ，增加 15時(shí)，△ W/△ jW 從 ，增加了 。 對(duì)同一變壓器，在某一負(fù)荷率β運(yùn)行情況下的年有功電能損耗率如式 (5)，而在節(jié)能負(fù)荷 率下的年有功電能損耗率為： △ jW =(PoTb PKHβ 2jτ )/ j? mTSeb ?? cos (7) 15 用 (5)式的兩邊除以 (7)式的兩邊，并用 (6)式代入，整理后得： △ W/△ jW =1/2(β/ j? j? /β)(8) 上式為變壓器運(yùn)行在某一負(fù)荷率β時(shí)的年有功電能損耗率相對(duì)于運(yùn)行在節(jié)能負(fù)荷率 j? 時(shí)的年有功電能損耗率隨相對(duì)節(jié)能負(fù)荷率變化的函數(shù)關(guān)系。然而相當(dāng)于二班制運(yùn)行特點(diǎn)的高層建筑中的配電變壓器，按 j? 計(jì)算出的容量還是偏大，必將增加用戶的一次性投資。 由此可見(jiàn)，按節(jié)能負(fù)荷率計(jì)算變壓器的容量，要小于按最佳負(fù)荷率所計(jì)算的變壓器的容量，這樣不但年電能損耗小且一次性投資省。 對(duì)于高層寫(xiě)字樓，由于五天工作制，且晚上下班后的其余時(shí)間均處于輕載，其電力負(fù)荷的運(yùn)行特點(diǎn)，相當(dāng)于工業(yè)企業(yè)的單班制生產(chǎn)，變壓器的節(jié)能負(fù)荷率j? =。 Tb 按 7500h，而根據(jù)高層民用建筑的不同功能，τ值在 23004500 范圍內(nèi)選取，因此 j? =() M? 。 由式 (6)可見(jiàn)，變壓器的節(jié)能負(fù)荷率與年最大負(fù)荷損耗時(shí)間有關(guān)，τ越低 j? 越高。 變壓器的年有功電能損耗可按下式估算 △ bW =PoTb PKH(/ jsS S2e)2τPoTb PKHβ2τ(3) 式中β —— 計(jì)算負(fù)荷率，等于變壓器的計(jì)算視在容量 jsS 與額定容量 ebS 之比 Tb—— 變壓器年投運(yùn)時(shí)間 τ —— 年最大負(fù)荷損耗時(shí)間，可由年最大負(fù)荷利用時(shí)數(shù) Tm查 Tmτ關(guān)系曲線。 B、按變壓器的年有功電能損耗率最小時(shí)的節(jié)能負(fù)荷率 j? 計(jì)算容量由于實(shí)際負(fù)荷總在變化，無(wú)法精確計(jì)算出變壓器的電能損耗。 13 以國(guó)產(chǎn) SGL 型電力變壓器為例，其最佳負(fù)荷率計(jì)算如下： 表 21 國(guó)產(chǎn) SGL型電力變壓器最佳負(fù)荷率 m? 容量（千伏安） 空載損耗 （瓦） 負(fù)載損耗（瓦） 損耗比（ R） 最佳負(fù)荷率β 500 1850 4840 630 2100 5650 61 800 2400 7500 1000 2800 9200 1250 3350 11000 1800 3950 13300 由表 21可見(jiàn)，如果以 m? 來(lái)計(jì)算變壓器容量，必將造成容量過(guò)大，使用戶初期投資大量增加。 (2) R=PKH/Po(即變壓器損耗比 ) 式中 Po—— 變壓器的空載損耗 。