摘要：随着经济的发展和能源的大量消耗，社会节能意识也越来越高。而当前极为广泛运用的电力变压器在我国每年总的电能损耗约为2500 多亿千瓦小时,相当于三个中等省的用电量之和，可见对电力变压器进行节能设计有着重要意义。另外，目前随着我国用电负荷的较快增长且逐步集中， 要求电力变压器深入负荷中心，以减小供电半径，这样就使得越来越多的电力变压器出现在住宅区、商务区及公共服务区，然而电力变压器较高的噪声，对变电站周边环境造成了较为严重的噪声干扰，因此对电力变压器的减噪势在必行。本文中提出了一种既能使变压器节能， 同时又能减噪且考虑总成本， 并有着更好的铁心截面优化效果的多目标优化设计
关键词：节能与减噪；电力变压器；多目标优化设计；
目前，对电力变压器的节能、减噪以及优化设计研究已有了许多成果。对电力变压器的噪声从工艺与控制的角度进行了减噪的研究、从电力变压器的节能效益、运行方式与损耗分析方面进行了研究、从变压器的节材和节能方面进行了最优化设计、从变压器重量最小方面进行了优化设计并从变压器的有效材料费最小方面进行了优化设计。对电力变压器的节能与减噪的研究都尚且处于各自独立进行中，且对于变压器的优化设计尚且处于上世纪90 年代已趋于成熟的成果中，还有待于进一步优化。
1 电力变压器的节能理论
铁心截面优化设计可以有效地优化截面、提高截面利用率、减少能量损耗、降低铁心成本，在此基础上，提出了一种既能使变压器节能，同时又兼顾减噪和总成本，有着更好的铁心截面优化效果的多目标优化设计。电力变压器在空载损耗和负载损耗方面的理论，可知降低铁心磁通密度，可以减少电力变压器空载损耗；减少绕组匝数，即减少铜线的质量，可以降低负载损耗，从而实现电力变压器的节能。电力变压器在噪声方面的分析，可知降低铁心磁通密度，可以降低噪声。铁心中的铁轭和心柱的截面是相同的，则只需对其一讨论即可，这里就以铁心柱截面设计，对其进行研究。对于电力变压器铁心柱截面是在圆形的线圈筒里面。为了充分利用线圈内空间又便于生产管理，心式铁心柱截面常采用多级阶梯形结构。截面在圆内上下和左右都轴对称。阶梯形的每级都是由许多同种宽度的硅钢片迭起而成。同时受到制造工艺的要求，如硅钢片的宽度一般取为0.5 mm 的倍数、铁心柱的级数限制等。经优化后铁心填充系数得到了提高， 实现了铁心截面积的增加， 初步实现了对电力变压器的节能与减噪。
2 节能与减噪的电力变压器多目标优化设计
2.1 节能减噪的初步优化。本文中铁心的铁轭和心柱的截面是相同的，对于电力变压器，铁心柱截面是在圆形的绕组里面。为了充分利用绕组内空间又便于生产管理，心式铁心柱截面常采用多级阶梯形结构。截面在圆内上下和左右以轴对称。阶梯形的每级都是由许多同种宽度的硅钢片叠积而成。同时受到制造工艺的要求，如硅钢片的宽度一般取5mm 的倍数及铁心柱的级数限制等。为实现铁心柱有效截面尽量大，就需对其进行优化设计。首先利用优化软件编程求解， 然后在此基础上利用邻域搜索法对其进行进一步地寻求更优解。经初步优化后铁心填充系数得到了提高， 实现了铁心截面积的增加，初步实现了对电力变压器的节能与减噪。优化后的有效截面积与原来的有效截面积的关系、当绕组匝数不变时优化后的磁密与原来的磁密的关系以及当磁密不变时优化后的绕组匝数与原来的绕组匝数。根据电力变压器的节能理论可知，当绕组匝数不变而磁通密度减少3.9%时，对于其铁心重量将增加4.04%，而对于空载损耗的第一种计算方法，由于附加损耗只占空载损耗的小部分（这里取5%），又知磁滞损耗与涡流损耗各占剩余的50%，于是能求出空载损耗减少3.15%。当铁心磁密不变而绕组匝数减少3.9%时，对于其铜导线质量将减少3.9%， 对于其负载损耗，可知优化后的负载损耗比原来的负载损耗减少了3.9%。根据电力变压器的减噪机理分析，可得出优化后噪声将降低1.107dB。在此基础上，加上对当前已有的传统减噪方案进行综合，如在声源上，尽量降低铁心窗高与直径的比值、采用全斜交错接缝的铁心结构及改善铁心夹紧力和绑扎力等。
2.2 电力变压器的节能减噪进行优化后，可很好地使铁心截面得到增加，初步实现对其节能与减噪。但在对其节能减噪的具体设计时，只考虑了当绕组匝数或铁心磁密不变时的情况，没有同时兼顾节能与减噪，且没引入对总成本的考虑，因为虽然可以减少空载损耗、负载损耗或铜导线质量，但当绕组匝数不变而磁通密度减少时，也将使其铁心重量增加，增加铁心的成本。对此，需对电力变压器节能减噪做进一步综合优化，在综合优化过程中，需同时兼顾节能与减噪，且考虑绕组匝数与铁心磁密的同时变化以及总成本的问题。一是设计变量的选择。由于根据电磁理论与前面的初步优化分析可知，经初步优化铁心截面积增加后，绕组匝数与铁心磁密并不是其中一个一定不变，还有可能同时减小。对此假设经进一步优化后铁心磁通密度将减少，绕组匝数将减少，噪声减少。二是多目标函数的建立。由于希望减小噪声越多越好，同时希望节省能量损耗越多越好且经济成本越节省越好，即考虑能量损耗下的总成本节省越多越好，对此建立以下双目标函数。噪声减小最大Z 为：
，考虑能量损耗下经济总成本节省最多。由于当绕组匝数减少3.9%时，将减少负载损耗3.9%，减少铜导线质量3.9%； 而减少铁心磁通密度3.9%时，能降低空载损耗3.535%，但铁心重量将增加4.04%。对此将其近似处理为线性关系，则有当绕组匝数减少时，将降低空载损耗增加铁心重量。按照电力变压器实用技术大全的一个普遍的国际规定，以电力变压器预期寿命为25 年以上为准，规定1 kW空载损耗的成本值为45000 元/kW，规定电力变压器运行寿命期间1 kW 负载损耗的成本值为9750 元/kW， 且已知现在的铜导线的价格为70000 元/t 左右。三是多目标数学模型的化简。对于一个多目标决策问题，首先应将多目标规划模型转化为单目标规划模型来求解。由于这两个目标函数的量纲存在不同，且两个函数间有着相互影响，存在非线性关系，不能采用一般的线性加权法处理，对此笔者考虑双方满意度最佳，采用非线性加权综合法对双目标函数进行处理，转化为单一目标，在对电力变压器节能和减噪进行双目标综合优化设计时，采用非线性加权综合法能较好地实现。通过对电力变压器的铁心截面、磁通密度和绕组匝数进行合理优化设计后，能较好地实现对电力变压器的节能与减噪。
本文中笔者通过对电力变压器的节能与减噪问题进行优化设计与实例讨论分析后，在满足一定要求下，从电力变压器节能方面，降低铁心磁通密度，可以减少电力变压器的空载损耗，减少绕组匝数，可以降低电力变压器的负载损耗；从电力变压器减噪方面，降低铁心磁通密度，可以降低噪声。
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论文作者:范伟朋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/23
标签：铁心论文; 截面论文; 电力变压器论文; 绕组论文; 节能论文; 优化设计论文; 噪声论文; 《电力设备》2017年第26期论文;