對變壓器運行效率與經濟管理問題的探討

摘要：變壓器的運行過程會產生很多的無謂損失，不僅浪費了大量的資源，降低了效率，也對變壓器的壽命與安全運行帶來了較大影響，因此從經濟層面出發來提升變壓器的運行效率就顯得十分必要。在這種背景下，首先介紹了變壓器運行的效率損失類型與效率計算方式，進而探討了實施經濟運行的方案選擇，最后給出了變壓器實現經濟運行的保障措施。

關鍵詞：變壓器；運行效率；經濟管理；保障

作者簡介：林忠福（1979-），男，福建莆田人，國家新聞出版廣電總局824臺，工程師。（福建 莆田 351111）

中圖分類號：TM4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0259-02

一、變壓器運行的效率損失與計算

1.效率損失

變壓器運行過程中的效率損失主要來自兩大方面，即銅損與鐵損。銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗。當電流通過線圈電阻發熱時，一部分電能就轉變為熱能而損耗。由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損。變壓器的鐵損包括兩個方面：一是磁滯損耗。當交流電流通過變壓器時，通過變壓器硅鋼片的磁力線的方向和大小會隨之變化，使得硅鋼片內部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。二是渦流損耗。當變壓器工作時，鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產生感應電流，由于這一電流自成閉合回路形成環流且成旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使鐵芯發熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。變壓器的效率與變壓器的功率等級有著密切關系，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。[1]

2.效率計算

變壓器的效率可以用以下公式計得：變壓器的效率=輸出功率/輸入功率×100%。其中，因為輸入、輸出的能量都是電能，所以也可以用“功率=VI”來計算輸出、輸入功率。如果變壓器的效率是100%，通常稱其為“理想變壓器”（Ideal Transformer）。在該情形下：輸入功率=輸出功率，即VP IP=VS IS。然而在現實中，能量轉換過程中有能量損耗是在所難免的（如會產生熱能），也可以用一般的方法來提升變壓器的效率，包括：線圈度使用較粗的導線，因為粗導線的電阻比較細，所以導線中的能量損耗都會較細；使用軟鐵心，因為軟鐵心比較容易磁化同退磁，在傳遞磁場時的能量損耗會較低；把軟鐵芯切成不相通的薄片，這是因為磁力會和鐵芯度產生環回電流（Eddy Currents），導致能量化成熱并流失至外界。

二、變壓器經濟運行的方案選擇

GB/T13462—92對變壓器經濟運行區確定的原則是：變壓器在額定負載條件下的運行區應屬于經濟運行區。因此，變壓器經濟運行區的上限值定為負荷率等于1，經濟運行區的下限值所對應的效率應與經濟運行區的上限值的效率相等，其計算公式推導如下：

1.變壓器國標經濟運行區的上下限

一是變壓器經濟運行區上限的效率。變壓器效率的一般計算公式為：

（1）

式中：U*=U/Ur為變壓器運行電壓標幺值；U為變壓器運行電壓；Ur為變壓器的額定電壓；ΔP0為變壓器空載試驗損耗；ΔPk為變壓器短路試驗損耗；β為變壓器的負荷率；Sr為變壓器的額定容量；cosφ為變壓器的功率因數。

將額定工況條件β=1，U*=1代入（1）式，得：

（2）

二是經濟運行區下限值的效率計算公式。變壓器處在經濟運行區下限值時的效率公式為：

（3）

令η2=η1，即（3）式與（2）式相等，解得：

（4）

由（4）式可知，變壓器經濟運行區的負荷率下限值與變壓器空載試驗損耗成正比，與變壓器短路試驗損耗成反比，還與變壓器運行電壓標幺值的平方成正比，也就是說運行電壓升高時，經濟運行區負荷率下限值會增大。說明變壓器的運行電壓對其經濟運行區的寬度有影響。[2]

三是“大馬拉小車”的判據。根據式（4）計算出變壓器經濟運行區負荷率的下限值，當負荷率小于經濟運行區負荷率下限值時可以判定變壓器處于“大馬拉小車”工況。

2.變壓器經濟容量的選擇

根據變壓器經濟運行區的上下限確定其經濟容量，使變壓器實際運行的工作點不超出經濟運行區間。

按最大負荷選擇容量，條件是：

（5）

按最小負荷校驗容量，條件是：

（6）

如果（5）、（6）兩式均成立，則所選擇的容量為經濟容量，變壓器運行時不會超出經濟運行區間。

三、構建變壓器經濟運行的監測系統

變壓器經濟運行的監測系統主要包括兩大部分，即變壓器感測記錄器與資料讀取器。變壓器感測記錄器的重點內容在于中央處理器的配置。中央處理器是變壓器感測記錄器的控制中樞，整合各硬件模塊輸入、輸出的資料。相較于變壓感測器，資料讀取器的設置更為復雜。資料讀取器的主要功能是供巡檢人員以無線電方式讀取感測記錄器中的資料。資料讀取器以PDA作為工作平臺，因此，對于資料讀取器的工作重點，主要注重于PDA上設計資料讀取軟件及設定儲存界面，各軟件模塊應包含如下功能：

一是界面整合管理模塊。界面整合管理模塊為資料讀取器的開始，資料讀取器的所有軟件模塊功能均是由此進入執行，主要用來統合各項軟件模塊的功能，各項功能選項均會整合在該管理模塊里面，程序界面會顯示各項模塊的名稱，目的是方便巡檢人員清楚地了解操作資料讀取器。

二是資料讀取模塊。該模塊包含兩種主要功能界面：一是即時讀取，該界面可以即時讀取變壓器該時刻的電流、溫度及時間資料，并通過人性化的視窗界面顯示在PDA上，可以讓巡檢人員立即得知該時刻變壓器的所有負載情況；二是讀取資料的初步整理，即將復雜繁瑣的資料進行歸類與篩選，從而便于下一步的操作。

三是資料儲存模塊。讀取操作之后，資料會完整地顯示于視窗界面上，同時可以利用資料儲存模塊把所有溫度、電流及時間的資料儲存成文字（.txt）檔案格式，并存放于資料讀取器里，以便將來可以讓巡檢人員再重新觀看負載資料，以及后續傳送至主電腦下的變壓器診斷系統作進一步分析。

四是資料傳送模塊。所有儲存于資料記錄器里的負載記錄資料，最后會以USB為界面通過該模塊即USB桌上型同步化插座，把所有負載資料同步于個人電腦上，方便巡檢人員檢閱此負載記錄資料；也可以把各負載資料作備份、匯整的后續工作。

五是資料處理模塊。該模塊的主要功能是時間設定，該界面在變壓器安裝時就要進行必要的時間設定，確保變壓器感測記錄器的系統時間設定和PDA同步。當系統安裝一段時間后，同樣也可利用該界面來對系統的時間作校正，重新再與PDA同步。

四、實施變壓器實現經濟運行的經濟管理保障措施

變壓器運行效率的實現不僅僅是技術層面的問題，更表現為深層的經濟層面問題。在運行電壓器的過程中，供電部門及用電者的相關利益都會受到影響，而這也表現為對電力價格變化的影響。因此，變壓器經濟運行的實現應當從系統觀出發，切實做好管理層面的相關內容。就變電站來說，應做好如下工作。

第一，合理選擇變壓器的容量水平，并且在選擇時要確保對安全性能、技術環節及經濟層面的各類指標加以系統考慮。如果變壓器的運行長時間屬于超負荷運行狀態，則很容易降低變壓器的使用效率，帶來更大的線路損失。另外，滿負荷與超負荷運行也容易縮短變壓器的使用壽命，更有可能引發變壓器被燒毀的危險。因此，估計變壓器的容量水平，是合理使用變壓器的前提所在。如果變壓器由于超負荷運行，導致溫度升高的狀況出現時應當及時采取補救方案。例如，對于溫度升高的情況進行詳細解讀，從而采取措施使得變壓器得到強制冷卻。

第二，對于老舊的變壓器要進行及時的更新換代，使用能耗較低的變壓器，這不僅符合國家節能環保的政策要求，也是變電站服務社會的主要表現之一。[3]對于變壓器更新換代項目的推廣開展，既可以由組織及用戶自行完成，也可以通過與節能環保部門進行有效合作來完成。就合作完成而言，這需要節能環保部門帶頭構建相應的方案，變電站或個人給予充分的支持。

第三，實施系統化的變壓器運行體系。這種系統化的經濟運行體系應當涵蓋負荷、規章與功率補償等方面的內容。就負載而言，除了上述所要求的不能滿負荷的運行之外，還需要關注變壓器的最低負荷大小，嚴格杜絕載電量的過、輕、空等現象。目前變電站所常用的變壓器的負荷率基本維持在0.5左右的水平，過載運行會導致效率的明顯降低，而低負荷運行同樣不符合經濟運行的要求。除此之外，還需要關注平衡負荷的實現，即有效地減少由于不平衡的存在而帶來的銅損狀況的增加。就規章而言，其構建也應當聚焦于負荷量的突然變化，充分采用“谷”、“峰”之間的互相填補，來合理指導用電負荷持久穩定的實現，最終帶來波動性及線損的減少。就功率互補來看，有必要采取無功自動互補的模式來有效提升負荷功率的因數大小，從而減少由無功所帶來的損失，最終提升變壓器的運行效率。

參考文獻：

[1]王平瑞.變壓器的損耗及效率的研究[J].煤炭技術，2011，（9）.

[2]黃大集.配電變壓器的經濟運行方式分析[J].電氣開關，2013，（1）.

[3]馬吉恩，楊華勇，徐兵，等.液壓變壓器效率特性的測試與分析[J].浙江大學學報（工學版），2008，（7）.

（責任編輯：孫晴）