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[导读]变压器利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心(磁芯)。在电器设备和无线电路中,常用作升降电压、匹配阻抗,安全隔离等。变压器的功能主要有:电压变换;电流变换,阻抗变换;隔离;稳压(磁饱和变压器);自耦变压器;高压变压器(干式和油浸式)等,变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯,XED型,ED型CD型。

变压器利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心(磁芯)。在电器设备和无线电路中,常用作升降电压、匹配阻抗,安全隔离等。变压器的功能主要有:电压变换;电流变换,阻抗变换;隔离;稳压(磁饱和变压器);自耦变压器;高压变压器(干式和油浸式)等,变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯,XED型,ED型CD型。

变压器的最基本型式,包括两组绕有导线的线圈,并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中的一组线圈时,于另一组线圈中将感应出具有相同频率的交流电压,而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链的程度。

单相变压器即一次绕组和二次绕组均为单相绕组的变压器。

单极性开关电源,指输出为单极性,也就是只有正极、负极输出,相对于双极性开关电源说的,双极性开关电源有三条输出,分为正电源、负电源、地线。

单相变压器结构简单、体积小、损耗低,主要是铁损小,适宜在负荷密度较小的低压配电网中应用和推广。苏州市就累计使用1000多台,节电45GWh,经验值得推广。有的资料显示单相变压器在发达国家得到广泛应用,例如美国、日本,单相供电制成为居民供电的主要方式,在这种宣传下,有些人因此而认为单相供电具有“降损”的魔力,认为单相变压器比三相变压器更节能,认为单相供电制比三相供电制更优越。其实不然,单相变压器与单相供电制只是当前三相供电制的补充形式,由于其自身特性的约束,它只能应用于某些特定的领域。

铁心构成变压器磁路系统,并作为变压器的机械骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分组成,铁心柱上套装变压器绕组,铁轭起连接铁心柱使磁路闭合的作用。对铁心的要求是导磁性能要好,磁滞损耗及涡流损耗要尽量小,因此均采用0.35 mm厚的硅钢片制作。目前国产硅钢片有热轧硅钢片、冷轧无取向硅钢片、冷轧晶粒取向硅钢片。20世纪60~70年代我国生产的电力变压器主要用热轧硅钢片,由于其铁损耗较大,导磁性能相应地比较差,且铁心叠装系数低(因硅钢片两面均涂有绝缘漆),现已不用。目前国产低损耗节能变压器均用冷轧晶粒取向硅钢片,其铁损耗低,且铁心叠装系数高(因硅钢片表面有氧化膜绝缘,不必再涂绝缘漆)。

根据变压器铁心的结构形式可分为心式变压器和壳式变压器两大类。心式变压器是在两侧

的铁心柱上放置绕组,形成绕组包围铁心的形式,如图2—5所示。壳式变压器则是在中间的铁心柱上放置绕组,形成铁心包围绕组的形状,如图2—6所示。

更节能

单相变压器变损是否低?在以前关于介绍单相变压器及单相供电技术的论文中,认为单相变压器比同容量的三相变压器空载损耗小、节能,并且变损低。有的论文列举出的应用实例,提到改造具有的经济效益时,用D10、D11甚至D12系列的变压器和同容量的S9系列变压器进行比较,例如提到同容量的D11单相变压器比S9三相变压器空载损耗降低得多,因此认为单相变压器比三相变压器运行更经济,其实这是个误解。举例时忽略了两者之间的技术层次上的差异,根据JB/T3837-1996《变压器类产品型号编制办法》,对变压器型号的编序的性能水平做了规定,凡大一号的性能参数要提高到一个新水平。例如D10系列变压器是根据S10变压器参数设计的,论证D10或者D11等系列变压器的降低损耗的效果时,应选取同型号的S10或S11变压器进行比较,选取S9系列变压器作为参照物其实是不公平的。

另外,普通S9系列变压器采用的是叠装式铁芯结构,而D10、D11等大多采用了卷铁芯结构:叠装式铁芯和卷铁芯存在工艺技术上的差别,卷铁芯结构克服了传统叠装铁芯结构中无法克服的缺点,例如在一张铁芯叠片中,沿外侧和沿内侧的磁路长度相差较大,使得磁通在铁片内不是均匀分布,并产生高次谐波,结果导致损耗增加。在三相铁芯中,铁轭和B相的芯柱交会区域内,由于三相磁动势的原因产生旋转磁场使损耗增加,在铁芯叠片彼此之间对接处有接缝,在此接缝区域内,有横向穿越叠片的磁通而使损耗增加。因此,卷铁芯变压器比叠装铁芯变压器空载损耗小,空载电流小。同是11型号的100 kVA容量的三相卷铁芯密封变压器与单相卷铁芯变压器除了重量明显差异外,技术指标差别并不明显。所以一直认为的单相变压器比三相变压器变损小、节能的结论是没有依据的。

单相变压器在10k V配网中的应用

1、对单相变压器的容量进行合理选择

1)相变压器容量选择原则

当10kV配网中的用电负荷处于正常状态的时候,可以通过减少设备容量来降低线路损耗过高的现状,低压配电网的负荷是随时变化的,会随着用电时间、季节等发生改变,在10kV配网设计过程中一般采用单三混一的配电变压器安装方案,这种方案可以配置一台或多台单相配电变压器,根据具体的用电负荷的变化情况以及低压电网的运行方式决定单相变电器的容量需求,从而选择更合适的变压器进行供电。

2)对具体的容量进行确定

确定单相变压器容量就是确定单相变压器供电范围的过程,在确定其供电范围时应该要遵循“小容量、分布紧密”的基本原则,单相变压器的供电范围不能太大,尽量减少供电密度。同时,单相变压器的容量也与安装方式有很大关系,单相变压器的安装方式一般为单杆柱安装,由于单相变压器只有两个低压绕组,在相同容量下,变压器的低压额定电流比三相变压器多50%,因此可以确定出单相变压器的具体容量大小。例如容量 80k VA 单相变压器低压侧的额定电流与 125kVA 三相变压器低压侧的额定电流接近。在传统的配网设计中,构架式三相配电变压器的容量一般不大于 500kVA,这是综合考虑了多方面因素之后得到的结果,在具体的配网设计过程中,通过单杆构架式安装方式安装的单相变压器的总容量应不大于 100k VA。

2、安装方式的选择

单相变压器的设计是为了给用户提供更加稳定的电能产品,减少用电负荷过高带来的各种问题,在对单相变压器进行安装的时候通常有三种方式,要根据不同的情况选择合适的安装方式:

第一,独立型安装。单相变压器的安装与其他的低压电网之间没有联系,单相变压器自成系统、独立运行。这种安装方式中单相变压器最接近负荷中心,尤其是和在一些城乡结合部以及零散的村庄使用。

第二,分路型安装。这种安装方式中,单相变压器的低压支线要与主线保持断开,并且要接上新的电源,以便三相变压器电源和单相变压器电源与支线之间实现良好、顺畅地转换。

第三,主线型安装。这种方式主要适用于三相台区末端无三相负荷的情况,首先将主线断开,并且将单相变压器接到电源供主线尾端,实现电源间的转换。

3、接线方案的选择

对单相变压器进行接线的时候主要有两种方案,一种是人工搭拆方式,采用人工搭拆方式,在高压侧与低压侧的工作方式是不相同的,在高压侧单相变压器会以跌落式熔断器作为主要控制器,进行操作。在低压侧,当单相变压器投入运行的时候,需要人工拆除与三相低压电源的主线连接,然后再搭接单相变压器低压侧,当单相变压器退出运行的时候,需要将单相变压器低压侧拆除,再将三相低压电源主线搭接回去。另一种是刀闸转换方式,采用一把四极双投刀闸进行控制,可以实现在配网的低压侧对单相变压器电源和三相变压器电源进行转换。

线损低

单相供电方式是否线损低?根据电路原理,同样的距离输送同样的功率P ,功率因数为1,三相供电方式与单相供电方式的线路损失如下。假设使用同截面的导线,导线电阻为R。单相变压器两线方式供电,输送功率P 时,相线、中性线中电流为I ,产生的线路损失为 P 单损 = 2I^2R。三相变压器三相四线方式供电,输送功率P时,线路中相电流为I /3,理想状态下中性线无电流,相线 P 相损 =(I/3)2R = I2R/9。

本方式下线路损失为P三损 = 3×(I /3)2R = I2R/3。通过计算可见,三相供电方式的线路损失是最低的,单相供电的方式比三线制的损耗高6倍。由此可见,单相供电方式在与三相供电方式在降低线路损失方面并无优势。

用料少

相同容量的单相变压器比三相变压器用铁减少20%,用铜减少10%。尤其是采用卷铁芯结构时,变压器的空载损耗可下降15%以上,这将使单相变压器的制造成本和使用成本同时下降,从而获得最佳的寿命周期成本。

线路投资低

在电网中采用单相供电系统,可节省导线33%~63%,按经济电流密度计算,可节约导线重量42%,按机械强度计算,可降低导线消耗66%。因此可降低整个输电线路的建设投资。这在我国地域广阔的农村和城镇的路灯照明及居民生活用电方面是很有意义的。

利于现代化生产

单相变压器由于结构简单,适合大批量的现代化生产,有利于提高产品质量和效益。第四,适于引入新技术、新材料、新工艺,获得技术加分,党的十六届五中全会提出把节约资源作为基本国策,“十一五”规划《纲要》进一步把“十一五”时期单位GDP能耗降低20%左右作为约束性指标。在这个大背景下,降损附加值高的新产品将大有所为。在线损理论计算时可以发现,80%的线路损失发生在20%的主干线上,因此缩短低压主干线距离,就可以大大减少低压线损,由于单相变压器重量轻,可以灵活安装在电杆上使用,便于深入负荷中心,就近降压供电,提高供电质量。一般单相变压器在小范围内供电,发生故障波及面小,利于提高供电可靠性。同时,因为单相变压器重量轻,安装维护方便,使用灵活,可以单相使用,也可以三台组成三相变压器使用。

建设投资少

变压器小容量化的代价轻负荷地区进行单相供电制建设,可减少建设投资。大负荷地区进行单相供电制的改造,必须有较大的经济投入。笔者看到,有的单相变压器在居民小区的试点,实行的是将大变压器化成多个小变压器,临近负荷安装,缩短低压主干线距离,由于电源点到负载的距离是一定的,缩短低压供电距离,必然要延长高压输电距离,此种改造需要大量的投资,例如原来3个单元30户人家使用160 kVA三相变压器1台,改用3台50 kVA单相变压器供电,表2列出两种改造方案的用料及损耗变化,很明显的增加了建设投入。其一,为了减少低压主干线的线损,要将高压线路引入负荷中心,增加高压线路建设投资。其二,采用多台小容量变压器后的空载损耗和负荷损耗,都比原先单台大容量变压器多。其三,多台小容量变压器的购置资金也大于单台大容量变压器的购置资金。国外由于居民用电多,几家或者每家使用一台单相变压器,是因为国家富裕,电力部门大量资金投入的结果。虽然投资较大,对于他们总的来说还是合算的。

应用的局限性

单相变压器应用的局限性首先,单相变压器由于电压单一,只能应用于照明或小型电机,应用范围具有局限性。而我国农村因有副业和作坊,不能广泛推广,即使用,也只是作为三相供电制度的补充使用。单相变压器得到应用,一是应用于深山区,居民分散,用电负荷小,基本没有动力应用,可大大减少线路投资;二是应用于路灯。其次,是单相变压器所引起的引高压进负荷中心容易受到人们的抵制。人们法制观念提高,对于居住环境的关心也非常重视,没有哪个业主愿意电业部门在门前树根“旗杆”,上面挂有变压器,带有高压电,并且还发出噪音。同时,房地产商人只要求电力方便,他们却不愿意自己的蓝图里出现电力设施的影子。一是怕电磁辐射,二是怕危险,三是怕影响景观。电力部门收费到户,线路损失是电力部门的事情,业主与开发商没有义务为电力部门提供方便。

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