国内一些重点变压器厂和电力修造厂对高能耗变压器进行节能技术改造做了大量工作,取得了良好的效果。改造方法归纳起来主要有三种：减容量法、保容量法和调容量法。具体或更细又分有：减容、调容、减容调容(结合)、换铁芯、换绕组、换芯体、换部分铁芯和绕组等方法。

(一)高能耗变压器的减容量改造方法

高能耗变压器减容量改造方法,适宜于中、小型配电变压器,是企业当前采用的一种对其进行节能技术改造的且易于推广的主要方法。其基本原理及采取的措施如下。

1.高能耗变压器减容量改造法的基本原理

高能耗变压器最关键、最明显的症结是空载损耗过大,应设法着重降低它(见表5-22)。

因变压器的空载损耗Po为

式中 Ko——铁芯制造工艺系数(一般取Ko=1.15～1.70)；

Pc——铁芯单位重量的电功率损耗,W/kg；

Gt——变压器铁芯总重量,kg。

式中 f——电源电压频率,Hz；

βm——铁芯的磁通密度,T(一般按1.0～1.1T选取)；

E——变压器绕组总感应电压值,kV；

Eo——变压器每匝绕组感应电压值(Eo=E/W),kV/匝；

W——变压器每相绕组匝数(一次侧或二次侧)；

At——变压器铁芯横截面积,mm2。

从式(5-80)可知,在变压器铁芯制造工艺系数、铁芯总重量、铁芯横截面积、电源电压频率不变的情况下,适当增加变压器绕组每相匝数,就能够降低匝电压、磁通密度和铁芯单位重量的电功率损耗,最后使变压器的空载损耗减少。

2.高能耗变压器减容量改制的具体做法

(1)适当减少变压器的容量。改制后的变压器容量按下式计算确定

式中 Se·y——原高能耗变压器的额定容量,kVA；

Po·y——原高能耗变压器的空载损耗,W；

Pk·y——原高能耗变压器的短路损耗,W；

Kc——系数(当绕组的导线材质不变时取Kc=1.0,当以铜导线替代铝导线时取Kc=1.673)。

一般来说,改制的变压器容量比原高能耗变压器容量以减少20%～25%为宜(即降低一个容量等级,并由计算容量Sg值根据GB6451—86标准,取与其接近的标称容量。)变压器容量减少,就相当于其额定电流减少,相应地使得变压器的短路损耗也降低。为了进一步降低变压器的短路损耗,还要适当增大绕组导线的截面积,以减少导线电流密度。

(2)适当增加变压器高低压绕组的匝数。改制后的变压器低压绕组匝数和高压绕组匝数分别按下式计算确定

式中 W2——改制后的变压器低压绕组的匝数；

W1——改制后的变压器高压绕组的匝数；

Wy2——原高能耗变压器低压绕组的匝数；

Po·y——原高能耗变压器的空载损耗,W；

Ku——配电变压器的变压比；

Po——改制后的变压器空载损耗(W)；根据确定的改制后变压器标称容量,按接近或达到SL7(或S7)系列变压器同容量的空载损耗并从表中查取之。

一般来说,改制后的变压器高压绕组的匝数以增加42%～46%为宜,而低压绕组的匝数以增加8.3%～12.5%为宜。

还应指出的是,由于变压器的铁芯窗口尺寸未予变动,绕组导线材质也可能不变(铝导线或铜导线),因此,在适当增加高低压绕组匝数,以及在适当增大绕组导线截面积,而重新绕制时,应当严格控制新绕组的高度和直径,以便使得新绕组能够置入原铁芯窗口之内。

由于高能耗配电变压器型号繁多复杂,为使经改造后的变压器在确保损耗降低达到要求的前提下,力求较少降低容量,在减容量改制时,应根据原变压器质量不同情况,选取一种最佳方案。为此,特将高能耗配电变压器减容量改制的参数推荐值列于表5-24中。

表5-24　高能耗变压器减容改制参数推荐值

(3)高能耗变压器减容量改制法的特点主要有：①只需要重新绕制绕组,不需要改动铁芯,因此工艺简单,操作方便,不受优质硅钢片来源困难和价格昂贵的限制,适用于没有冲剪设备县级变压器修试单位；②减容量改制所需费用较低,一般为同容量SL7型低损耗变压器售价的1/3左右,因此较快将投资收回；③绕组是变压器的心脏,由于绕组重绕更新,因此改制后的变压器比原来的变压器运行更安全可靠(据调查统计,变压器发生的事故,90%以上是在绕组方面),使用寿命增长,同一台新变压器相当,主要技术性能指标达到或接近同容量SL7系列低损耗变压器的标准值；④由于改造后的变压器的额定容量比原变压器减少20%～25%,因此减容量改造法一般适用于负载率低于30%,且在五年内负荷无较大发展的用电变压器,以及配电变压的使用可以互相调换的地区。

(二)高能耗变压器的保容量改造方法

保容量改造法是兴于减容量法之后,较晚些时间推广的一种方法。相对后者而言,它的工艺比较复杂,操作比较麻烦,运用于具有冲剪设备的变压器修试单位；所需费用也较高,一般为同容量SL7低损耗变压器售价的2/3左右,但变压器容量或出力保持不变,因此适宜于经济条件较好,用电负荷较大或发展较快,有优质硅钢片来源的地区。高能耗变压器保容量改造法有好几种,下面分别叙述。

1.铝导线换成铜导线,更换绕组保容改制法

对于技术性能属于JB500—64标准的高能耗配电变压器,当其绕组导线为铝导线时,为了使改造后的变压器保持原有容量,可综合采取以下措施或方法：

(1)绕组以铜导线替代铝导线(即铝导线换成铜导线)。因为在75°C时,铜的电阻率仅为铝的61.2%；且在相同的导线截面和长度下,可使变压器绕组的电阻值降低38.8%,短路损耗也降低38.8%；而无氧铜线又比常规电解电工用铜线的电阻值和短路损耗,再降低8.5%。

(2)重新绕制高压绕组和低压绕组,并要适当增加其匝数,铜导线的电流密度按3.1A/mm2左右选定,以降低绕组每匝的电压值、铁芯的磁通密度和铁芯单位重量的电功率损耗值,从而降低变压器的空载损耗。具体做法为：首先在原变压器低压侧施加适当的三相交流电压,使变压器的空载损耗等于S7型低损耗变压器的空载损耗；然后,以此电压值为基础计算出匝间电压,进而计算确定绕组所需增加的匝数。

(3)JB500—64标准的高能耗配电变压器的磁通密度,原设计值多数为1.45T左右,改造时其值应取1.00～1.15T拉。

(4)在原铁芯材质基础上,改变硅钢片的叠装方式或工艺,即将原来三片(或四片、五片)一层改为一片一层；两种叠装方式相比,经试验,新的叠装方式可使铁芯电功率损耗降低8%～12%。

(5)为使变压器短路损耗在绕组匝数增加、导线加长的情况下能够达到或接近S7型低损耗变压器的短路损耗之值,应尽量减小绕组的直径,以充分利用原铁芯窗口的有效高度；而且,在原铁芯窗口能够容纳绕组的条件下,最好选用较大截面的导线或适当加大导线截面；同时,将二次侧绕组导线由原来的平绕圆筒式改为立绕(导线窄面为径向)圆筒式(对容量较大的变压器更适宜)。

(6)对于原铁芯材质差、工艺粗糙、片间绝缘老化的变压器,可进行热处理,重新涂刷绝缘漆。

2.以优质硅钢片替代劣质硅钢片,更换铁芯保容法

由于JB500—64标准高能耗配电变压器的铁芯一般是采用0.5(或0.35)毫米厚的热轧硅钢片,并且制造质量较差,因此,单位质量的铁芯功率损耗较大,比如D42—0.35热轧硅钢片,在磁通密度为1.5特斯拉下,单位重量的铁损达2.84W/kg；而国产Q10—0.35冷轧优质硅钢片,只有0.99W/kg；日本产Z10—0.35冷轧优质硅钢片,只有0.85W/kg；国内外最新产品——非晶态合金钢片的铁损仅为0.21～0.27W/kg。更换铁芯改制时,用优质硅钢片替代劣质硅钢片,将大大降低变压器的空载损耗。

在用优质硅钢片重新制作铁芯时,铁芯可保持原有几何尺寸和磁通密度不变,而铁芯级数应选用与低损耗变压器相同的标准级数或适当增加级数,并且采用45°全斜不冲孔结构形式,即以斜接缝形式替代直接缝形式(因此时铁损将降低25%～30%)；叠装时,由多片一层改为一片一层的方式。

更换铁芯改制法,适用于变压器原有绕组质量较好,绝缘老化轻微,经测试判断仍可使用10年以上者；以及具有硅钢片冲剪设备及其工艺水平较高的单位。

3.更换部分铁芯保容量改制法

更换部分铁芯保容量法与更换铁芯保容量法大同小异。更换部分铁芯即是将高能耗变压器,原铁芯的中间叠层抽掉,用国产Q10—0.35或日本产Z10—0.35冷轧优质硅钢片,按照原尺寸规格裁剪后,重新叠装进去。高压、低压绕组利用原来的。这种改造方法与更换铁芯保容量法相比,消耗优质硅钢片较少,改制费用也较低(同减容量法相近)。但是,改造后的变压器铁损降低幅度不大,主要技术性能指标一般达不到同容量低损耗变压器SL7(S7)系列标准值。(www.daowen.com)

4.更换铁芯立柱和重绕高压绕组的保容量改制法

(1)改造原则如下：

1)材料应尽量利用本身旧材料,以降低改造价格。

2)变压器的绝缘和散热结构,采用现行通用结构。

3)改制工艺应力求简单,尽量适宜于县级电业部门变压器修造厂的工艺水平,以便就地实施改造。

4)改造后的变压器主要技术性能指标应达到或接近同容量低损耗变压器SL7(S7)系列标准值。

(2)降低变压器空载损耗的技术措施如下：

1)更换铁芯立柱,即将原铁芯立柱D42—0.35热轧劣质硅钢片改换成国产Q10—0.35和日本产Z10—0.35冷轧优质硅钢片,并采用直接缝的叠片方式叠成新立柱。

2)增加立柱级数,即比典型设计增加2～3级,以便使立柱面积在相同直径下增加2.5%～4.0%。

3)将旧芯柱以原宽用于铁轭,以使铁轭宽度和面积比原来的铁轭有相应增加。

4)重新绕制高压绕组(低压绕组利用原来的),并适当增加匝数,以降低铁芯中的磁通密度；芯柱磁通密度取1.4T,铁轭磁通密度取1.0T。

(3)降低变压器负载损耗的技术措施：

1)适当增大高压绕组导线的线径。

2)配合阻抗要求,适当增高铁芯窗高,减少绕组层数。

3)高压绕组层间绝缘采用分级绝缘的垫法。

(4)更换铁芯立柱和重绕高压绕组保容改制法的特点：

1)这种改制方法只适用于旧铁芯硅钢片为0.35mm厚,性能优于D42—0.35的高能耗变压器的改造,外壳高度应能满足改后尺寸要求。

2)改制中,有40%的旧硅钢片,30%的旧铜线和外壳等附属零件可以利用,因此,比购置一台新的S7型低损耗变压器节约资金34%～40%。

3)改造后的变压器的主要技术性能指标一般能达到低损耗变压器SL7(S7)系列标准值,使用寿命也与之相近。

5.更换绕组和铁芯的保容量改制法

对于绕组松动且绝缘老化,铁芯材质低劣(如热轧硅钢片)且制造工艺较差,需要大修的高能耗变压器,可采取更换芯体(绕组和铁芯)保容量的方式进行改制。

改造时,按照低损耗变压器S9系列标准,重新设计、制作绕组和铁芯；即铁芯选用国产Q10—0.35或日本产Z10—0.35冷轧优质硅钢片,叠装采取45°全斜不冲孔结构形式；绕组选用铜导线重新绕制。这种改制方法的特点是：

(1)工艺要求较高,适宜于技术水平和装配工艺质量水平较高且具备专用冲剪设备的单位和专业制造厂。

(2)除外壳外,铁芯和绕组均更换,所需材料较多,改制费用较高,且受优质硅钢片和铜导线的货源限制。

(3)改造后的变压器主要技术性能指标能够达到低损耗变压器标准,使用寿命也相近；并且这种改造方法不受容量大小、用电负荷轻重等情况的限制,适且范围相对较广。

(4)此种方法是上述各种方法费用最高的一种。因此,建议只能在经过算账后,改制一台旧的高能耗变压器比购置一台新的低损耗变压器能节约20%及以上费用的前提下进行。

(三)高能耗变压器的调容量改造方法

为了适应农电负荷季节性变化大的特点,一些地区和单位采取切换配电变压器容量,节约电能的改造方法。即利用原变压器的外壳和铁芯,重新绕制绕组,增设一个无励磁调容量开关,并通过切换调容开关的接线方式,改变变压器的使用容量。目前,调容量的方法有两种,一种是绕组并联或串联调容量法,另一种是绕组△—Y连接调容量法。

1.串并联调容量的配电变压器(见图5-5)

(1)改制原理。将高能耗配电变压器的每相一次绕组和二次绕组各分成两段,每段都保持原有匝数,导线截面缩小一半,增设一个调容量开关,根据季节进行调节,实现串联或并联运行。并联时：将有效匝数和导线截面保持原有数值,允许绕组通过额定电流,变压器保持全容量。串联时：绕组匝数为原匝数的二倍,导线截面为原截面的一半,允许绕组通过铭牌额定电流的一半,配电变压器容量减半。

(2)串联、并联的运行条件。据公式推导,在配电变压器处于小负荷时,串联运行的损耗小于并联运行的损耗。此后,随着配电变压器负荷的增长,串联运行损耗曲线比并联运行损耗曲线,变化陡急。当负荷增加到某一数值时,两条损耗曲线相交于一点(见图5-6),这一负荷值称为串并联调容量配电变压器的临界负载,相应的负载率即为临界负载率。反之,在配电变压器处于大负荷时,如配电变压器负荷超过临界负载,并联运行比串联运行较为经济,损耗较小。但是,调容量变压器运行的真正节电区,是在负载率小于临界负载率的区域,如图5-6中阴影部分所示。对有功负荷而言,临界负载率为20%～25%；对有功和无功总负荷而言,综合临界负载率为24%～39%。

(3)串并联调容改制法的评价：

1)串并联调容改制技术比较简单,便于县级电业修试单位实施。

2)对于农电负荷季节性变化大,一年内调容开关切换次数极少,管理制度健全,电工素质好的地区和单位,适宜采用。但是,调容开关切换次数较多时,不仅操作麻烦,而且影响开关的使用寿命。因此,对于农电负荷季节变化小、或者日负荷变化大,需要日调容、管理薄弱而缺乏负荷记录的地区和单位,不宜推广应用。

图5-5　串并联调容量配电变压器绕组接线变换图

(a)Y/yo并联接线；(b)Y/yo串联接线

图5-6　串并联调容量变压器临界负载率与节电区示意图

3)由于受临界负载率较低所限,使用范围不广,节电效果不高,在全容量档运行时,仍是“高能耗”。

4)改制费用较高,为同容量低损配电变压器价的60%～70%。

2.Y—△调容量的配电变压器

(1)改制方法。Y—△调容量配电变压器的高压绕组与普通配电变压器相同,原高耗配电变压器的铁芯也不动；低压绕组做成三段(见图5-7),Ⅰ段具有绕组27%的匝数,Ⅱ段和Ⅲ段的匝数相同,均具有绕组73%的匝数；同时,Ⅱ段和Ⅲ段导线截面积相等,均为第Ⅰ段的一半。变压器增设一个调容量开关。当使高压三相绕组接△形,低压绕组每相的Ⅱ、Ⅲ段并联后与第Ⅰ段串联,三相再接成Yo形时,配电变压器具有额定容量,当使高压绕组的三相接成Y形,低压绕组每相三段全部串联后,三相再接成Yo形成,配电变压器容量减半,具有半容量(见图5-8)。

图5-7　Y—△调容量变压器低压绕组图

图5-8　Y—△调容量变压器绕组接线图(△—yo并→/yyo串)

(2)Y—△调容制改法的评价。

1)与串并联调容改制法相比,临界负载率较高,有功临界负载率可达34%(见图5-9)。有功和无功的总临界负载率可达48%(见图5-10)。因此该调容量变压器使用范围较广,适应性较强,节电效果较佳(但在全容量档运行时,仍是“高能耗”)。

图5-9　Y—△调容量变压器有功临界负载率示意图

图5-10　Y—△调容量变压器总临界负载率示意图

2)串并联调容改制需将绕组分成两段,Y—△调容改制需将绕组分成三段,因此,同样存在线头多,焊接也多,增加改制工时的问题。

3)存在调容开关切换次数较多时,操作麻烦,影响使用寿命的问题。

4)存在改制费用较高的弊端,平均为同容量低损耗配电变压器售价的60%～70%。