關于變壓器經濟運行的探究

摘要：變壓器被廣泛應用于供電系統的發電、變電和供電領域中，其經濟運行可以通過合理確立多臺變壓器同時運行的運行方式、合理選擇變壓器容量、合理調節變壓器的負載率和及時進行變壓器設備的更新等措施來實現。本文通過分析變壓器在實際運行時功率損耗的原理和進行變壓器功率損耗的計算，為變壓器的合理選擇調整容量、調節負載、經濟運行的判斷提供了有重要參考價值的依據，并且對變壓器的經濟運行進行了優化，以從根本上降低變壓器的電能損耗，提高我國電力企業的經濟效益。

關鍵詞：變壓器 經濟運行 降低損耗

變壓器為供電系統中的重要設備，在其運行過程中，會產生有功功率損耗和無功功率損耗，客觀上講其損耗不是很大，一般為變壓器容量的2%左右[1]，但是由于變壓器運行時間相對較長，一年累計下來造成損耗也是十分驚人的。據我國電力部門統計，在我國供電系統中，發電、變電和供電變壓器的電能損耗的總和約占我國總發電量的10%，2010年全年變壓器的電能損耗為2400億度左右，造成了電力能源的極大浪費，因此研究變壓器的經濟運行對我國節能減排，降低能源消耗有重大的意義。

1 變壓器實際運行時損耗構成及其原理分析

1.1 變壓器的空載損耗P空

空載損耗，也稱之為鐵芯損耗，簡稱鐵損[2]，其指的是變壓器接入電壓后，鐵芯中勵磁電流引發磁通進行周期性變化產生的損耗。空載損耗包括基本的鐵損和附加的鐵損。基本的鐵損包括磁滯損耗P磁和渦流損耗P渦。磁滯損耗的大小由磁滯回線決定，其指的是鐵芯內的磁疇在不斷交替變化的交變磁場作用下做周期選擇引發的鐵芯發熱。渦流損耗的大小與鐵芯的電阻成反比例關系，其指的是鐵芯內所產生的感應電流引發的熱能損耗。對于附加鐵損P附其主要包括疊片和鐵芯之間由于絕緣造成的局部渦流損耗、變壓器自身的介質損耗及主磁通在結構部件內引起的渦流損耗等，附加鐵損一般為基本損耗的15%左右。利用數學式來表達影響鐵損的因素為：

P空=P磁+P渦+P附=K磁fφ2V+K渦fφ2V+P附 （1）

其中P磁，P渦 ——表示磁滯損耗和渦流損耗；

K磁，K渦 ——常數；

f ——變壓器外施電壓的頻率，Hz；

φ——鐵芯中最大磁通密度，韋/ m2；

V ——鐵芯體積，m3。

1.2 變壓器中額定負載損耗P額

短路損耗指的是變壓器在額定負載的條件下運行，一次和二次繞組通過額定電流時，繞組所產生的損耗。則在一次繞組通過恒定的額定電流，并將變壓器形成二次繞組短路時消耗的功率稱為額定負載損耗[3]，其由基本銅損P基和附加銅損P附組成。基本銅損指的是一和二次繞組直流電阻引發的損耗，附加銅損指的是漏磁場在結構件中引發的渦流損耗、由于漏磁場引發的集夫效應而導致導線有效電阻增加的銅損，以及多根導線纏繞引發的內部環流的損耗等。

P額=P基+P附=I12R1+I22R2+P附 （2）

其中R1——一次繞組電阻，Ω；

R2——二次繞組電阻，Ω；

I1——一次繞組額定電流，A；

I2——二次繞組額定電流，A。

由上式分析可知，變壓器實際運行時銅損與負載電流的平方成正比例關系，并且考慮到負載運行時，負載電流是在不斷變化的，因此銅損是一種可變損耗。令β表示負載系數，則:

β= I/I2 （3）

其中I——二次繞組負載電流。

1.3 關于變壓器有功功率損耗的計算

t段時間有功功率損耗計算：

ΔP= P空+β2P額（4）

β=S/S額=P2/Sn額cosφ （5）

cosφ=Ap/ [A2p+A2q]1/2=P/S （6）

其中P空——變壓器空載損耗，kW；

Pk——變壓器額定負載損耗，kW；

S額——額定容量，kVA；

β——變壓器負載系數；

Ap——t 段時間中輸出的有功電能，kW·h；

Aq——t 段時間中輸出的無功電能，kvarh；

S——t 段時間中輸出的平均視在功率，kVA；

cosφ——t 段時間中負載的平均功率因數。

2 變壓器經濟運行方式的確定

2.1 大容量與小容量變壓器的選擇

大容量與小容量變壓器經濟運行的臨界負載的計算公式為:

S1j=[(P空1-P空s)/(P額s/S2額s-P額1/S2額1)]1/2 （7）

其中P空1，P空s——大容量、小容量變壓器的空載損耗，kW；

P額1，P額s——大容量、小容量變壓器的短路損耗，kW；

S額1，S額s——大容量、小容量變壓器的額定容量，kVA。

當供電系統中實際負載小于S1j時，應選擇運行小容量變壓器；當供電系統中實際負載大于S1j或在S1j左右時，應選擇運行大容量變壓器。

2.2 變壓器臺數的選擇

對于容量相同但是技術參數不同的A，B兩臺變壓器：

S1j=S額[PAB/(P額A-P額A/4-P額B/4) ]1/2 （8）

供電系統中實際負載小于S1j時，只需單獨運行A變壓器即可，當供電系統中實際負載大于S1j時，應讓A和B并列運行。

對于容量及技術參數都相同的N與N+1臺變壓器：

S1j=SnN(N+1)P空/P額 （9）

3 變壓器經濟運行的優化

3.1 加強科學管理

3.1.1 通過降低變壓器的降壓次數可以大大降低變壓器的電能損耗[4]。

3.1.2 在安全生產條件的允許下，如果要求變壓器的變比小于2，應盡量選用自耦變壓器。自耦變壓器相對于其他同容量兩線圈的變壓器，在有功損耗和無功損耗方面都要降低很多。

3.1.3 提高功率因數，降低變壓器的無功損耗。不同的功率因數會引起變壓器有功損耗和無功損耗的不同，隨著功率因數的提高，不僅會降低變壓器的無功損耗也會降低變壓器的有功損耗，因此顯著提高了變壓器的經濟運行。

3.2 進行設備更新

設備更新可以一方面消除變壓器的有形磨損，另一方面其還可以消除無形磨損，只有不斷的對設備進行更新換代，才能更好的促進變壓器的損耗降低和效率提高，達到變壓器經濟運行的目的。

4 結語

確立變壓器經濟運行的原則為：在額定負載的條件下，變壓器的的運行應屬于經濟運行區。但是在經濟運行區內運行，負荷率過高或者過低都會影響變壓器的經濟運行，因此選擇合適的負荷率是變壓器經濟運行的關鍵。本文通過分析變壓器在實際運行時功率損耗的原理和進行變壓器功率損耗的計算，為變壓器的合理選擇合適的負荷率、調整容量、調節負載、經濟運行的判斷提供了有重要參考價值的依據。

參考文獻：

[1]賴小強.德陽電網經濟運行的技術措施淺析[J].科技創新導報，2008，26：147.

[2]李宏毅等.《建筑工程電氣節能》[M].中國電力出版社.

[3]胡景生等.變壓器經濟運行[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]中國航空工業規劃設計研究院編. 工業與民用配電設計手冊[M].北京:水利電力出版社，2004.