低壓配電變壓器節能關鍵技術研究

摘 要： 變壓器是電網中最重要的電力設備，其數量多，總的電能損耗很大。據統計，配電變壓器的電能損耗約占輸配電系統電能損耗的 30%，因此，降低配電變壓器的能耗，已成為最重要最緊迫的任務之一。針對低壓配電變壓器的節能關鍵技術進行研究，分析配電變壓器各種損耗的產生機理以及降低損耗的方法，對現有配電變壓器運行特點和數據加以對比研究和數據挖掘，優化調整配電網運行電壓和智能控制三相負荷實時平衡，實現配電變壓器節能降耗經濟調度運行目標，是節能降耗的重要技術，具有較大的工程實際研究意義。

關鍵詞： 配電變壓器； 電能損耗； 關鍵技術； 節能技術

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0156?03

0 引 言

變壓器是配電網中不同電壓等級電能間相互轉換的主要設備，在電能生產、輸送、調度分配等過程中起到非常重要的作用。變壓器在電力系統中的使用數量極其廣泛，從發電、輸電、配電及用電各環節構成的電力系統來看，電能從發電廠輸出到用戶使用一般需要3～5次的變壓過程。根據國內外的統計數字，運行變壓器的容量通常是發電容量的4～7倍，是運行電機容量的5～8倍，這就決定了變壓器必須是一個高效能的設備。盡管如此，但因其數量多，容量大，所以在廣義電力系統運行中，變壓器總的電能損耗約占發電量的10%。這對全國而言，意味著全年變壓器總的電能損耗為1 000多億kWh，這相當于一個較大電力系統的發電量。變壓器損耗約占電力系統線損的50%，在農電系統中變壓器損耗占農電網中損耗的60%～70%。因此，開展配電變壓器經濟運行，降低變壓器損耗，是實現電力系統經濟運行的重要環節，是節約電能的重要手段。

1 現狀研究

變壓器在電力系統中的使用數量極其廣泛，并且其造成的電能損耗約占發電量的10%，因此，開展變壓器經濟運行，采用新型節能型變壓器，降低變壓器損耗，是實現電力系統經濟運行的重要環節和節約電能的重要手段之一。為了降低變壓器損耗，提高變壓器的運行可靠性，各國都深入研究變壓器的電磁原理，利用變壓器容量與損耗之間的關系，變壓器與運行成本之間的關系，試圖推導出特種變壓器的基本電磁關系。在國外，日本、美國、德國、瑞士等國家相繼采用IEC76標準對變壓器進行細分。挪威電力研究中心O.W. Andersen 利用有限元法開發的變壓器漏磁場分析軟件，能夠準確計算短路阻抗、渦流損耗和短路機械力。美國非晶合金在配電變壓器中的應用情況，美國是世界上最早開發非晶合金材料和非晶變壓器的國家，據不完全統計，到2000年美國非晶合金配電變壓器已占配電變壓器總數的20%左右。非晶合金配電變壓器在美國具有美好的情景，美國能源部（DOE）宣布，油浸式、中壓干式以及低壓干式配電變壓器協商規則制定工作小組在2011年10月12日至14日召開公開會議，將根據《能源政策節約法案》，討論并制定配電變壓器的節能標準。

我國變壓器的發展經歷了幾個階段，國家在節能方面的重視從未發生過改變。20世紀80年代中期，我國政府強制性地采用S7系列低損耗配電變壓器在全國范圍內淘汰正在電網運行的JB1300?73和JB500?64標準的高能耗變壓器。從1998年開始，我國政府又不惜代價地在全國推行兩網改造，用S9系列配電變壓器取代S7系列。與S9一樣，作為第七代節能產品的還有非晶合金變壓器、卷鐵芯變壓切、全密封變壓器等。但這先后兩次全國大規模的更新換代，新產品僅比老產品降低空載損耗8%～15%。目前市場上已經出現了比S9系列更節能的產品，如S10，S11系列等。同時，國內在節能型變壓器相關方面也取得了不少有價值的理論和實驗成果。相關文獻對配電變壓器無功功率的節能做了探討，并進行可行性分析，提出從提高負載功率因數降低變壓器無功功率消耗節能是一種不增加投資或少量投資而受益顯著的有效方法，并通過分析了變壓器運行效率曲線，探討了變壓器的高效經濟運行負載區最佳運行方式，并指出擇優選取最佳運行方式和按變壓器經濟運行條件來調整負載，在供電量相同時，能降低變壓器損耗，同時以變壓器綜合功率損耗最小，對變壓器的經濟運行進行了優化，對配電變壓器的經濟運行區間和最佳運行區間進行了分析，以及對多臺配電變壓器并列運行時，負載的經濟分配進行了分析等研究成果[1]。這些主要技術措施，從而有效地提高配電變壓器綜合利用效率水平。

2 節能關鍵技術

2.1 變壓器材料

節能型變壓器對損耗的降低主要是通過導磁材料（硅鋼片）和導電材料（無氧銅導線或銅箔）技術的發展而實現的。近年來主要是薄硅鋼片的改進與發展。另外非晶材料的發展也促進了變壓器的發展。自20世紀80年代非晶合金鐵心商業化以來，已經有幾十萬臺非晶合金配電變壓器在世界各地應用。非晶合金配電變壓器的鐵芯是由厚度為普通硅鋼片[110]的非晶合金材料制成，這種非晶合金材料具有高磁導率、低矯頑力、高電阻率、低鐵損的特點。因此，非晶合金配電變壓器比硅鋼片配電變壓器空負荷損耗將降低70%～80%、空載電流可下降80%左右，在節電降耗方面具有絕對的優勢，但是這種依靠改進材質來降低變壓器損耗的方式受到科學技術發展程度的制約，而且價格偏高導致市場推廣度不高[2] 。

相比而言，非晶合金鐵心變壓器具有無噪音，低損耗的特點， 其空載損耗為普通產品的20%， 且非晶變壓器還有其他優勢：實現完全密封、不需維護、運行費用相對較低。現階段，S11節能變壓器系列是在市面廣泛推廣的節能變壓器，與上一代S9系列產品比較參數可得，S11空載損耗比S9系列低75%左右， 負載損耗則與S9系列基本相同。表1為S11型變壓器與S9型變壓器損耗比較。

表1 S11型變壓器與S9型變壓器損耗

2.2 變壓器節能運行

從大量實際運行經驗來看，當配電變壓器運行過電壓水平達到 5%時，其內部鐵損將會增加 15%，而當變壓器過電壓水平達到 10%運行時，其內部鐵損則會增加高達 50%以上，且變壓器空載電流也會大幅度提升，從而增加配電網的無功損耗總量。所以，配電變壓器在實際運行過程中，通過相應設備控制避免其出現過電壓運行工況，一方面可以延長變壓器使用壽命，另一方面可以降低變壓器內部鐵損和激磁損耗，保證其高效穩定運行。自動調壓器是一種可以自動跟蹤配電網輸入電壓變化（主要由負載波動引起），而保證電壓恒定輸出的三相自耦變壓器，它可以在配電網處于20%波動范圍內，對輸入電壓進行動態實時調節。

正常情況下，如果客戶提供單一的設備容量也不算大，選擇一個以上的變壓器，可經濟運行，并能提高供電可靠性。當變電站配有兩個或兩個以上的變壓器，變電站的負載的變化導致變電站通常需要進行投入或切除的變壓器的操作。滿足負荷的電力變壓器，應考慮經濟運行，所謂的變壓器經濟運行，即是變壓器的功率損失最小的操作模式，其功率損耗最低，運營成本最低。在可滿足負荷要求的情況下，可要求暫停使用一個變壓器，用以減少維持變壓器運行的費用。

空載損耗表達式為：

短路損耗表達式為：

式中：[Kw]—指無功功率的經濟當量，其定義為在電力系統中每增加1 kvar的無功損耗，所需要消耗的有功功率（kW·h），一般情況下此值取0.07～0.1 kW/kvar。

在負荷率[β=SSe]時，變壓器運行時的功率損耗表達式如下：

顯然，式（3）中的[ΔPK′]和[ΔPe′]兩個變量被認為是從空載功率損耗和短路功率損耗值損失的有功功率和無功功率[3]。

當變電站有兩臺以上不同類型不同容量的 變壓器，同理可作出在各種運行曲線下變壓器的有功損耗，并根據在不同負載的有功功率損耗最低的原則，確定經濟運行變壓器的方式[4]。

配電變壓器三相負荷不平衡也是其產生巨大能耗的主要原因，當配電變壓器處于三相平衡負荷運行工況條件下，其負載損耗最小；而當變壓器處于三相負荷不平衡運行工況下，其總能耗為三相損耗的總和，尤其當變壓器運行在最大三相不平衡狀態下，其系統損耗就是平衡負荷時損耗的 3 倍[5]。配電變壓器處于三相負荷不平衡運行工況條件下，不僅會增加自身能耗，同時還會增加一次高壓側線路損耗，據大量實際運行經驗表明，配電變壓器處于最大不平衡運行工況時，其高壓線路的電能損耗會增加[6]12.5%。

3 結 語

開展分析配電變壓器各種損耗的產生機理以及降低損耗的方法，對基于實時數據庫的配電網數據進行挖掘，采用信息融合方法分析出系統的經濟運行區間和最佳運行區間，來優化控制無觸點自動調壓器和三相負載平衡，這將有助于配電變壓器節能降耗技術，推進節能型變壓器實用化進程，在理論和實踐中均有重要的研究價值。

參考文獻

[1] 石嘉川，劉玉田，錢霞，等.中低壓配電網電壓優化調整[J].中國電力，2005（1）：27?30.

[2] 石嘉川，劉玉田.計及分布式發電的配網多目標電壓優化控制[J].電力系統自動化，2007（13）：47?50.

[3] 熊卿，張哲，劉健，等.基于DSP與FPGA的三電平高壓變頻器控制系統的研制[C]//中國高等學校電力系統及其自動化專業第二十二屆學術會論文文集.南京：河海大學，2006：27?31.

[4] 熊卿，張哲，尹項根，等.配電變壓器與靜止無功補償器一體化技術研究[J].廣東電力，2011（8）：1?6.

[5] 劉健，尹項根，張哲，等.高壓大功率三電平逆變器的SPWM數字化技術研究[J].中國電機工程學報，2008（27）：35?42.

[6] 胡剛，張哲，劉健，等.三電平高壓變頻調速系統保護原理研究[J].水電能源科學，2007（5）：131?134.