杏彩体育:电力变压器技术现状与未来的全球展望

　　电能是当今人类生活的基本组成部分，但尚未普及到所有社会。确保安全可靠的能源供应需要技术增长，这是全球范围内的讨论主题，但也存在有关气候变化和全球变暖的重大担忧。当然，在技术增长和环境保护之间几乎不可能实现完美的平衡，但所有参与能源生成、传输、分配和消费的人都有积极的角色要扮演，以使生活尽可能可持续。电气化的净效应最大程度地取决于电力终端使用技术的成本和效率的未来进展，以及它们对社会的影响。电力系统的可靠性是另一个全球关注的问题。北美电力可靠性公司（NERC）将可靠的大规模电力系统定义为“即使发生意外设备故障或其他因素减少了可用电量，仍能满足最终用户的电力需求”。NERC依赖一套政策，旨在支持电网的充分运行，以维持供需之间的平衡，并确保能够应对和抵御突然的、意外的干扰，或由自然原因引起的系统元素意外损失，以及由人为物理或网络攻击引起的干扰。电网不仅要可靠，还要安全和高效。电网正在发展，以提供更强大和更清洁的能源未来，其中能源的生成和分配方法发生变化，因此电力资产的设计和制造也随着当前的技术需求而演变，从而降低损失并提高性能。研究与开发、测试和全球合作需要鼓励评估和采用支持这一持续演进的新设计、技术和方法。在美国，电力办公室管理变压器弹性和先进部件（TRAC）计划，以加速电网的现代化，解决大功率变压器和其他关键电网硬件的挑战。鼓励感兴趣的读者访问电力办公室的网站以获取更多信息。TRAC计划致力于协调努力，以提高能源效率，改进运营，增强资产利用和管理，增加系统弹性，并支持国内制造的增加。- 灵活的变压器可以适应各种电压比和阻抗水平，从而降低了与今天的变压器相比的制造时间和成本。一个重要的好处是，灵活的变压器将能够在数天内替代受损的变压器，而不是像目前这样需要数月。美国能源部（DOE）自2007年以来一直规定了低压干式配电变压器的能源效率水平，并发布了新的低压干式配电变压器能效水平的规定。新的效率水平于2016年1月1日生效，通常被称为DOE 2016效率水平。由于新法规，制造商不得不重新设计其产品以提高效率。2021年9月14日，DOE发布了一份新的《联邦公报》：10 CFR Part 431 “能源保护计划：配电变压器测试程序”。这份报告报告了支持配电变压器能源保护标准评估的技术分析和结果。测试程序的变化符合更新的IEEE标准的变化，包括C57.12.00-2015；C57.12.01-2020；C57.12.90-2015；C57.12.91-2020。

　　变压器效率不仅是北美地区的一个当前线月，欧洲电工标准化委员会（CENELEC）制定的最低能源性能标准规定了配电变压器的铁心和绕组的最大损失以及电力变压器的最低峰值效率。提高配电变压器效率的措施基于损耗的减少，其中有两种主要类型：空载损失和负载损失。空载损失主要发生在变压器的铁芯中，因此有时会互换使用术语“无负载损失”和“铁芯损失”。负载损失主要发生在绕组中。通常采取减少一种类型损失的措施会增加另一种类型的损失。提高效率的一些示例包括：更高级别的电力铁芯钢、不同的导体类型和材料，以及对铁芯和线圈配置的调整。设计和构造的变化不容易实施。例如，使用非晶态钢材存在许多挑战。首先，供应商很少：美国只有一个供应商，国际生产在中国、日本、德国和韩国。其次，非晶态电工钢的每磅成本约为普通M3晶向电工钢的1.5倍。因此，非晶态铁芯在当前市场中的渗透很小，晶向电工钢在配电变压器的制造中占主导地位。配电变压器的应用因类型（液体浸没或干式）和所有权而有显著差异。电力公用事业拥有大约95%的液体浸没配电变压器，而商业/工业实体主要使用干式变压器。可再生能源市场美国国家可再生能源实验室（NREL）提供了关于可再生电力发电对美国电力系统的电网集成机会、挑战和影响的分析。NREL的报告指出了能源消耗预测中的主要因素，其中包括：- 电动汽车占据了年度电力需求的递增增长，平均每辆电动汽车每年行驶12,000至14,000英里。- 太阳能光伏的增加，为商业和住宅建筑以及交通系统供电。- 全球气候变化趋向于增加使用空调和空间加热。- 正如国际能源署（IEA [1]）发布的2021年《世界能源展望》所报道的，新能源经济正在崭露头角。新能源光伏和电动汽车的销售在2020年创下新纪录。IEEE变压器委员会中提出的一些研究表明，负荷可能会增加10%到40%。因此，有必要考虑一个场景，其中平均等效负荷接近变压器额定容量的50%，但峰值负荷可能超过这个容量。应对潜在的负荷增加的一种方法是采用升级的绝缘系统，该系统由天然或合成酯液体与热升级的牛皮纸一起使用。对改进的测试和诊断技术不时会出现一些可能听起来很可怕的新术语，例如数字化电力变压器。在这个背景下，数字化意味着传感器嵌入到电力变压器中，以持续监测其性能或状态。传感器可能支持溶解气体分析（DGA）、温度和湿度测量、负载配置冷却控制等。目标是促进预测性资产管理，减少损失，并提高效率。电力变压器的寿命实际上就是其绝缘系统的寿命。由于其可负担性和有益的特性，基于纤维素的材料远远是电力变压器中最常见的固体绝缘类型，通常与绝缘液体一起使用。由纯纤维素制成，这些材料具有出色的电性能和油浸特性，以及良好的机械性能。在绝缘材料方面，TRAC等团体制定的研究目标包括：- 电介质强度 300 V/mil- 60 Hz时电介质损耗角（tan delta） 0.05%- 增强的材料性能在资产的使用寿命（20至40年）内保持稳定- 连续运行温度承受 130°C- 测试是基础。现在有更多的材料在研发管道中，它们的行为必须被研究人员和最终用户充分了解。在过去的两十年中，我们已经听说了更多关于在电力和配电变压器中使用酯液体的情况。在电气变电站中，固体绝缘的变压器浸没在矿物油中，代表了电气变电站中最重要的火灾安全隐患。然而，酯液体比矿物油的火灾危险性小，因为它们不仅有更高的闪点和点火点，而且具有更低的净热值。通过使用比传统油更不易燃烧的液体作为冷却剂和电介质绝缘体，显著降低了潜在变压器火灾相关风险。此外，合成和天然酯液体具有很高的生物降解性，它们的口服毒性非常低，不被分类为对水生生物有害。这些因素可能允许更容易在敏感环境中使用，如水源地和海上风电场等。谈到固体绝缘，高温变压器现在在全球相当普遍。高温绝缘，包括漆包和绕组绕线、绕线间隔和机械支撑材料，通常用于移动、机车和整流变压器。这些应用受益于使用高温材料提供的较轻的重量、更高的可靠性和更长的寿命。多年来，这些材料还允许制造商为维修应用和移动变压器提供解决方案。牵引应用的高温变压器已经生产多年，但最近，这项技术在杆式配电变压器和风力发电机变压器中越来越常见。对于在电力变压器中使用高温绝缘材料的感兴趣者，建议阅读IEC 60076-14。总结新兴和发展中经济体的需求仍然保持在2020年下半年恢复的增长轨道上，预计中国和印度的强劲经济复苏将进一步加速这一轨道。这意味着供应可靠性和电力的可负担性将在人们生活的各个方面变得更加关键。太阳能光伏和风力已经成为新的电力发电源，不断发展。如果可再生能源市场按照2050年净零排放情景（NZE）的计划发展，将远远超过今天的石油行业。数字化、变压器性能监测和控制正在变得更加可用和负担得起。基于高级数据处理算法的预测性维护正在积极推进，关键问题不再是如何处理涉及的数据量，而是如何确保数据的质量。新型绝缘液体的引入将有助于发展满足未来需求的变压器，但当新液体的行为不完全被理解时，这也可能对变压器行业构成挑战。绝缘液体的性能高度依赖其化学成分，而酯等替代绝缘液体与众所周知的矿物油的行为不同。然而，不论面临什么样的挑战，不论电力网如何演变，有一点是确定的：电力变压器将继续在传输和分配领域发挥关键作用。正如我们所见，尽管变压器已经伴随我们几乎一个半世纪，但其设计和制造的进展仍在不断加速，这意味着未来必将带来令人感兴趣和激动人心的发展。