配電變壓器損耗的產(chǎn)生及降低損耗的方法

引言

變壓器是配電網(wǎng)中不同電壓等級電能間相互轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，在電能生產(chǎn)、輸送、調(diào)度分配等過程中起到非常重要的作用。變壓器在電力系統(tǒng)中的使用數(shù)量極其廣泛，從發(fā)電、輸電、配電及用電各環(huán)節(jié)構(gòu)成的電力系統(tǒng)來看，電能從發(fā)電廠輸出到用戶使用一般需要3~5次的變壓過程。根據(jù)國內(nèi)外的統(tǒng)計數(shù)字，運(yùn)行變壓器的容量通常是發(fā)電容量的4~7 倍，是運(yùn)行電機(jī)容量的5~8 倍，這就決定了變壓器必須是一個高效能的設(shè)備。盡管如此，但因其數(shù)量多，容量大，所以在廣義電力系統(tǒng)運(yùn)行中，變壓器總的電能損耗約占發(fā)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(dāng)于一個較大電力系統(tǒng)的發(fā)電量。變壓器損耗約占電力系統(tǒng)線損的50%,在農(nóng)電系統(tǒng)中變壓器損耗占農(nóng)電網(wǎng)中損耗的60%~70%.因此，開展配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低變壓器損耗，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，是節(jié)約電能的重要手段。

1 現(xiàn)狀研究

變壓器在電力系統(tǒng)中的使用數(shù)量極其廣泛，并且其造成的電能損耗約占發(fā)電量的10%,因此，開展變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，采用新型節(jié)能型變壓器，降低變壓器損耗，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)和節(jié)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(yùn)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(guān)系，變壓器與運(yùn)行成本之間的關(guān)系，試圖推導(dǎo)出特種變壓器的基本電磁關(guān)系。在國外，日本、美國、德國、瑞士等國家相繼采用IEC76標(biāo)準(zhǔn)對變壓器進(jìn)行細(xì)分。挪威電力研究中心O.W. Andersen 利用有限元法開發(fā)的變壓器漏磁場分析軟件，能夠準(zhǔn)確計算短路阻抗、渦流損耗和短路機(jī)械力。美國非晶合金在配電變壓器中的應(yīng)用情況，美國是世界上最早開發(fā)非晶合金材料和非晶變壓器的國家，據(jù)不完全統(tǒng)計，到2000年美國非晶合金配電變壓器已占配電變壓器總數(shù)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(xié)商規(guī)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(jù)《能源政策節(jié)約法案》，討論并制定配電變壓器的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

我國變壓器的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段，國家在節(jié)能方面的重視從未發(fā)生過改變。20世紀(jì)80年代中期，我國政府強(qiáng)制性地采用S7系列低損耗配電變壓器在全國范圍內(nèi)淘汰正在電網(wǎng)運(yùn)行的JB1300?73 和JB500?64 標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)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(jié)能產(chǎn)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(guī)模的更新?lián)Q代，新產(chǎn)品僅比老產(chǎn)品降低空載損耗8%~15%.目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了比S9系列更節(jié)能的產(chǎn)品，如S10,S11 系列等。同時，國內(nèi)在節(jié)能型變壓器相關(guān)方面也取得了不少有價值的理論和實(shí)驗(yàn)成果。相關(guān)文獻(xiàn)對配電變壓器無功功率的節(jié)能做了探討，并進(jìn)行可行性分析，提出從提高負(fù)載功率因數(shù)降低變壓器無功功率消耗節(jié)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(yùn)行效率曲線，探討了變壓器的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載區(qū)最佳運(yùn)行方式，并指出擇優(yōu)選取最佳運(yùn)行方式和按變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件來調(diào)整負(fù)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化，對配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間和最佳運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行了分析，以及對多臺配電變壓器并列運(yùn)行時，負(fù)載的經(jīng)濟(jì)分配進(jìn)行了分析等研究成果。這些主要技術(shù)措施，從而有效地提高配電變壓器綜合利用效率水平。

2 節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 變壓器材料

節(jié)能型變壓器對損耗的降低主要是通過導(dǎo)磁材料（硅鋼片）和導(dǎo)電材料（無氧銅導(dǎo)線或銅箔）技術(shù)的發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的。近年來主要是薄硅鋼片的改進(jìn)與發(fā)展。另外非晶材料的發(fā)展也促進(jìn)了變壓器的發(fā)展。自20世紀(jì)80 年代非晶合金鐵心商業(yè)化以來，已經(jīng)有幾十萬臺非晶合金配電變壓器在世界各地應(yīng)用。非晶合金配電變壓器的鐵芯是由厚度為普通硅鋼片1 10 的非晶合金材料制成，這種非晶合金材料具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高電阻率、低鐵損的特點(diǎn)。因此，非晶合金配電變壓器比硅鋼片配電變壓器空負(fù)荷損耗將降低70%~80%、空載電流可下降80%左右，在節(jié)電降耗方面具有絕對的優(yōu)勢，但是這種依靠改進(jìn)材質(zhì)來降低變壓器損耗的方式受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展程度的制約，而且價格偏高導(dǎo)致市場推廣度不高。

相比而言，非晶合金鐵心變壓器具有無噪音，低損耗的特點(diǎn)，其空載損耗為普通產(chǎn)品的20%,且非晶變壓器還有其他優(yōu)勢：實(shí)現(xiàn)完全密封、不需維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用相對較低。現(xiàn)階段，S11節(jié)能變壓器系列是在市面廣泛推廣的節(jié)能變壓器，與上一代S9系列產(chǎn)品比較參數(shù)可得，S11空載損耗比S9系列低75%左右，負(fù)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。

2.2 變壓器節(jié)能運(yùn)行

從大量實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)配電變壓器運(yùn)行過電壓水平達(dá)到5%時，其內(nèi)部鐵損將會增加15%,而當(dāng)變壓器過電壓水平達(dá)到10%運(yùn)行時，其內(nèi)部鐵損則會增加高達(dá)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(wǎng)的無功損耗總量。所以，配電變壓器在實(shí)際運(yùn)行過程中，通過相應(yīng)設(shè)備控制避免其出現(xiàn)過電壓運(yùn)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(nèi)部鐵損和激磁損耗，保證其高效穩(wěn)定運(yùn)行。自動調(diào)壓器是一種可以自動跟蹤配電網(wǎng)輸入電壓變化（主要由負(fù)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(wǎng)處于20%波動范圍內(nèi)，對輸入電壓進(jìn)行動態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)。

正常情況下，如果客戶提供單一的設(shè)備容量也不算大，選擇一個以上的變壓器，可經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并能提高供電可靠性。當(dāng)變電站配有兩個或兩個以上的變壓器，變電站的負(fù)載的變化導(dǎo)致變電站通常需要進(jìn)行投入或切除的變壓器的操作。滿足負(fù)荷的電力變壓器，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，所謂的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(yùn)營成本最低。在可滿足負(fù)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(yùn)行的費(fèi)用。

空載損耗表達(dá)式為：

式中：Kw -指無功功率的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，其定義為在電力系統(tǒng)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(fù)荷率β時，變壓器運(yùn)行時的功率損耗表達(dá)式如下：

顯然，式（3）中的ΔPK′ 和ΔPe ′ 兩個變量被認(rèn)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。

當(dāng)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(yùn)行曲線下變壓器的有功損耗，并根據(jù)在不同負(fù)載的有功功率損耗最低的原則，確定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行變壓器的方式。

配電變壓器三相負(fù)荷不平衡也是其產(chǎn)生巨大能耗的主要原因，當(dāng)配電變壓器處于三相平衡負(fù)荷運(yùn)行工況條件下，其負(fù)載損耗最??；而當(dāng)變壓器處于三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行工況下，其總能耗為三相損耗的總和，尤其當(dāng)變壓器運(yùn)行在最大三相不平衡狀態(tài)下，其系統(tǒng)損耗就是平衡負(fù)荷時損耗的3 倍。配電變壓器處于三相負(fù)荷不平衡運(yùn)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(cè)線路損耗，據(jù)大量實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，配電變壓器處于最大不平衡運(yùn)行工況時，其高壓線路的電能損耗會增加12.5%.

3 結(jié)語

開展分析配電變壓器各種損耗的產(chǎn)生機(jī)理以及降低損耗的方法，對基于實(shí)時數(shù)據(jù)庫的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，采用信息融合方法分析出系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間和最佳運(yùn)行區(qū)間，來優(yōu)化控制無觸點(diǎn)自動調(diào)壓器和三相負(fù)載平衡，這將有助于配電變壓器節(jié)能降耗技術(shù)，推進(jìn)節(jié)能型變壓器實(shí)用化進(jìn)程，在理論和實(shí)踐中均有重要的研究價值。