王俊杰

（国网韩城市供电公司，陕西 韩城 715400）

0 引 言

随着社会对电能需求的不断增加，配电变压器作为电能传输和分配的关键器件，在电能传输领域扮演着重要角色。传统的配电变压器在电能传输过程中存在损耗高和效率低下等问题，不仅会造成能源浪费，还影响电网运行的稳定性和可靠性，因此进行高效配电变压器的研究和设计至关重要[1]。现阶段，人们广泛关注能源的可持续发展和环境保护问题，使得人们愈发重视高效配电变压器的能源利用效率。高效配电变压器采用先进的材料、优化的磁路设计、高效的冷却系统，能显著降低能量损耗和温升，提高能源利用效率和运行稳定性。通过实验和数据采集，比较不同设计方案的性能指标，探讨其在电能传输中的优越性，研究高效配电变压器的设计和性能分析，可为能源发展和电网的稳定运行提供有力支撑，为环境保护和可持续发展做出贡献。

1 相关技术综述

1.1 配电变压器的基本原理

配电变压器是电能传输和分配的关键设备，基于电磁感应定律工作[2]。配电变压器的工作原理如图1 所示，其中e1与e2代表电荷量，i1、i2代表电流，u1、u2代表电压值，Z代表阻值。

图1 配电变压器工作原理

在配电变压器工作时，交流电流通过初级线圈产生磁场，感应出次级线圈的电动势，实现电能在不同电压之间的转换[3]。变压器通过精确的线圈匝数比，将输入端的高电压转换为输出端的低电压，或者相反，从而实现电能的高效传输和分配。配电变压器在电能传输过程中产生的能量损耗较小，因此广泛应用于电力系统。

1.2 高效配电变压器的设计要点

为进一步提高配电变压器的效率和性能，设计高效配电变压器成为研究的重点。在设计高效配电变压器时，需要综合考虑多个要点。第一，要选择低损耗材料。选用的材料要具有低导磁损耗和低涡流损耗特性，降低变压器在能量传输过程中的损耗，提高能源的传输效率[4]。第二，进行磁路设计的优化。通过优化磁路结构并使用高性能磁芯材料，可以降低磁通密度泄漏和铁损耗，提高变压器的磁能利用率，实现更高效的能量传输。第三，合理设计冷却系统。稳定的温度对于变压器的运行稳定性至关重要。通过优化冷却系统，可以有效保证变压器在运行过程中温度的稳定，有效防止设备产生过热损耗，确保高效配电变压器高效稳定地进行能量传输。通过深入研究和优化来设计高效配电变压器，可为电能传输提供更加可靠和高效的解决方案，推动电力系统实现可持续发展。

2 设计与模拟方法

2.1 设计流程

高效配电变压器的设计流程主要包括以下几个关键步骤。第一，收集所需参数，明确设计要求和约束条件。第二，选择合适的材料，尽量采用低损耗材料，降低能量传输过程产生的损耗，提高能源利用效率。第三，进行磁路设计优化，采用有限元分析等方法，优化磁路结构，选用高性能磁芯材料，降低磁通密度泄漏和铁损耗，提高磁能利用效率[5]。第四，改进并合理设计冷却系统，确保变压器在运行过程中温度的稳定，防止产生过热损耗，保障能量高效稳定传输。第五，优化设计方案，得到最佳的高效配电变压器设计方案。

2.2 模拟方法

模拟方法是通过有限元分析等模拟软件来验证和优化设计方案。在模拟过程中，需要综合考虑材料的物性参数、磁路结构、绕组的电学特性等，获取高效配电变压器的各项性能指标，如能效、温升等。通过分析模拟数据，深入了解不同设计方案的性能差异，寻求优化设计的关键点。例如，通过模拟方法可以定量比较不同材料的导磁损耗和涡流损耗，分析不同磁路结构下的磁通密度分布情况，不同冷却系统的温度分布，通过不断验证和优化设计方案，提升高效配电变压器的性能，为电能传输提供更加高效可靠的解决方案。

3 实验与数据采集

3.1 样本制备

在高效配电变压器的研究中，制备样本是确保实验数据准确性和可靠性的重要步骤之一。首先，需要根据设计要点和参数确定多个样本的规格和结构。其次，选择合适的低损耗材料作为样本的核心材料，确保材料的物性参数符合设计要求。最后，按照设计方案精确制作线圈，保证匝数比例和绕组准确。在样本制备过程中，要严格控制工艺和制造误差，确保样本的一致性和可比性。

3.2 实验数据采集

实验数据采集的准确性是评估高效配电变压器性能的关键。为确保研究的准确性和可靠性，设定不同负载条件和工作电压，并记录样本温升数据和负载特性数据。针对不同设计方案样本，设定不同的负载水平，同时实时采集样本的输入功率和输出功率，得到样本在不同负载下的能效表现。对于配电变压器来说，温升直接影响变压器的运行稳定性和寿命。因此，在不同负载条件下记录样本的温升数据，并与设计要求进行对比分析，有助于寻求低温升的设计方案。

4 性能分析与结果讨论

为测试设计方案的能效，将对A、B、C 共3 种设计方案进行能效对比。方案A 指使用传统磁芯材料（即普通硅钢）而没有优化磁路设计的方案；方案B 指使用低损耗硅钢和绝缘材料，并进行精确磁路设计，采用液冷系统的设计方案；方案C 指采用高质量硅钢材料并进行简单磁路设计，且依旧采用风冷的方案。通过电能、热能以及机械能进行能效分析测定，从而判定不同方案设计的差异。

4.1 能效分析

通过对比分析不同设计方案的能效，寻求最佳的高效配电变压器能源利用方案。不同设计方案能效指标的比较情况如表1 所示。

表1 不同设计方案的能效指标比较 单位：%

由表1 可知，方案B 在所有设计方案中电能和机械能最高，达到98.2%和94.1%，证明在设计中采用低损耗材料和优化磁路结构能够显著提高配电变压器的能源利用效率。

4.2 温升分析

温升是评估高效配电变压器稳定性的重要指标之一。样本在不同负载条件下的温升数据如表2所示。

表2 不同负载条件下的温升数据

由表2 可知，方案B 在所有负载条件下的温升低于样本A 和样本C。以75%负载为例，方案B 的温升为52.6 ℃，而样本A 和样本C 的温升分别为58.3 ℃和54.9 ℃。可见，样本B 在高负载条件下具有更好的温升性能，证实了冷却系统的优化对于提高变压器的稳定性至关重要。低温升意味着高效配电变压器在电能传输过程中更少的能量损耗，有利于变压器稳定运行，延长变压器的使用寿命。

4.3 负载特性分析

负载特性是评估高效配电变压器在不同负载条件下性能的重要指标之一。测试和比较不同设计方案在不同负载条件下的性能参数，了解各高效配电网变压器设计方案的性能差异和优势，性能参数如表3所示。

表3 不同负载条件下的性能参数

由表3 数据可知，不同设计方案在不同负载条件下的性能参数有所差异，方案B 的性能参数相较于方案A 和方案C 表现更优异，具有更好的负载适应性，能在不同负载需求下保持较为优异的性能。相比而言，方案B 更能有效地满足电能传输需求，输出更加适配的电压。

5 结 论

通过设计高效配电变压器并进行能效、温升、负载特性分析发现，采用低损耗材料、优化磁路结构、改进冷却系统的设计方案能显著提高变压器的能源利用效率、稳定性、适应性，对于推进能源的高效利用、减少能源浪费、提升电力系统的可靠性和稳定性具有重要意义。