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摘要：變壓器是電力傳送過程中的主要電力設(shè)備。變壓器在變壓和傳遞電功率時(shí)，其自身要產(chǎn)生有功功率損失和無(wú)功功率消耗。在配電線路上，由于變壓器臺(tái)數(shù)多、總?cè)萘看?，所以變壓器總的電能損失約占整個(gè)配電系統(tǒng)損失的30%左右。因此，全面開展變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是指在傳輸電量相同的條件下，通過擇優(yōu)選取最佳運(yùn)行方式和調(diào)整負(fù)載，使變壓器電能損失最低。換言之，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就是充分發(fā)揮變壓器效能，合理地選擇運(yùn)行方式，從而降低用電單耗。所以，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行無(wú)需投資，只要加強(qiáng)供、用電科學(xué)管理，即可達(dá)到降低線損和提高功率因數(shù)的目的。

1. 概述

1. 1空載電流與空載損失

空載電流的作用是建立工作磁場(chǎng)，又稱勵(lì)磁電流。當(dāng)變壓器二次側(cè)開路，在一次側(cè)加電壓U1e時(shí)，一次側(cè)要產(chǎn)生電流Io---空載電流。通常Zm》Z1，則Z1可以忽略。

Io=U1e/(Z1+Zm) (1-1)

Z1---變壓器一次阻抗

Zm---變壓器激磁阻抗

勵(lì)磁電流在變壓器鐵芯產(chǎn)生的交變磁通要引起渦流損失和磁滯損失稱為空載損失(P0)(又叫鐵損)。渦流損失是鐵芯中的感應(yīng)電流引起的熱損失，其大小與鐵芯的電阻成反比。磁滯損失是由于鐵芯中的磁疇在交變磁場(chǎng)的作用下做周期性的旋轉(zhuǎn)引起的鐵芯發(fā)熱，其損失大小由磁滯回線決定。

1. 2短路電壓(短路阻抗)與短路損失

短路電壓是指在進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)繞組中的電流達(dá)到額定值，則加在一次側(cè)的電壓。

uk%=Uk/U1e *100% (1-2)

從運(yùn)行性能考慮，要求變壓器的阻抗電壓小一些，即變壓器總的漏阻抗電壓小一些，使二次側(cè)電壓波動(dòng)受負(fù)載變化影響小些;但從限制變壓器短路電流的角度，阻抗電壓應(yīng)大一些。

短路損失Pk是變壓器在額定負(fù)載條件下其一次側(cè)產(chǎn)生的功率損失(稱作銅損)。變壓器繞組中的功率損失和繞組的溫度有關(guān)，變壓器銘牌規(guī)定的Pk值，指繞組溫度為 >75℃時(shí)額定負(fù)載產(chǎn)生的功率損失。

2.變壓器存在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的因素

每臺(tái)變壓器都存在有功功率的空載損失和短路損失，及無(wú)功功率的空載消耗和額定負(fù)載消耗。因變壓器的容量、電壓等級(jí)、鐵芯材質(zhì)不同，所以上述參數(shù)各不相同。因此變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就是選擇參數(shù)好的變壓器和最佳組合參數(shù)的變壓器的運(yùn)行方式運(yùn)行。

2.1變壓器有功功率損失和損失率的負(fù)載特性

變壓器功率損失ΔP(千瓦)、效率η(%)和損失率ΔP%(%)的計(jì)算公式：

ΔP=Po+2Pk (2-1)

η=P2/ P1= Secosφ/(Secosφ+Po+2Pk)*100 (2-2)

ΔP%=ΔP/P1*100% =( Po+2Pk)/(Secosφ+Po+2Pk)*100% (2-3)=I2/I2e= P2/Secosφ (2-4)

P1---變壓器電源側(cè)輸入的功率

P2---變壓器負(fù)載側(cè)輸出的功率

cosφ---負(fù)載功率因數(shù)

I2---變壓器二次側(cè)負(fù)載電流

I2e---變壓器二次側(cè)額定電流

由上式可知變壓器損失率ΔP%是變壓器負(fù)載系數(shù)的二次函數(shù)，ΔP%先隨著的增大而下降，當(dāng)負(fù)載系數(shù)等于jp=(Po / Pk)1/2 (2-5)時(shí)即銅損等于鐵損。然后ΔP%又隨著增大而上升。jp是最小損失率ΔP%的負(fù)載系數(shù)，稱為有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)。所以，當(dāng)固定變壓器運(yùn)行時(shí)，可通過調(diào)整負(fù)荷來降低ΔP%。

2.2變壓器無(wú)功功率消耗和消耗率的負(fù)載特性

變壓器無(wú)功功率消耗ΔQ的基本公式為：ΔQ=Q0+ 2Qk (2-6)

為衡量變壓器傳輸單位有功功率時(shí)消耗的無(wú)功功率，便提出無(wú)功消耗率的公式：ΔQ%=ΔQ/ Q1*100% (2-7)

2. 3變壓器無(wú)功功率的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

由于變壓器的變壓過程是借助于電磁感應(yīng)完成的。因此，變壓器是一個(gè)感性的無(wú)功負(fù)載。在變壓器傳輸功率時(shí)其無(wú)功損耗遠(yuǎn)大于有功損失。因此，在分析變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)，無(wú)功消耗和有功損失都要最小。

在額定負(fù)載條件下，變壓器的無(wú)功功率消耗和有功功率損失之比為：

Kxr=ΔQe/ΔPe=(Q0+Qk)/(P0+Pk) (2-8)

Kxr=[(I0+Ie)2 Xm+Xk]/ [(I0+Ie)2 rm+rk] (2-9)

Kxr ---阻抗比

ΔQe、ΔPe ---變壓器自身無(wú)功消耗和有功損失

Xm 、rm ---變壓器勵(lì)磁回路感抗和電阻

Xk ---變壓器額定負(fù)載下的漏磁感抗和

rk ---變壓器短路電阻

Kxr變壓器總的電抗和總的電阻之比，其值大小代表變壓器感性強(qiáng)度。阻抗比和變壓器的容量有關(guān)，容量在560至7500KVA之間，Kxr≈5至10。

變壓器空載功率因數(shù)公式為：cosΦ0=P0/S0 (2-10)

由于變壓器是個(gè)感性負(fù)載，其空載功率因數(shù)很低，一般變化范圍為cosΦ0=0.05至0.2。變壓器容量越大，cosΦ0越小。

3.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)

由于變壓器各種運(yùn)行方式的有功損失和無(wú)功損失隨著負(fù)載發(fā)生非線性變化的特性，因此就存在著在某一負(fù)載系數(shù)條件下運(yùn)行，其有功損失和無(wú)功損失最低的情況，稱此負(fù)載系數(shù)為運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)。

有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)jP=(Po / Pk)1/2 (3-1)

無(wú)功經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)jQ=(Io %/ Uk %)1/2 (3-2)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，隨著變壓器的容量增大，有功損失系數(shù)稍微下降，而無(wú)功損失系數(shù)則明顯下降，特別是當(dāng)變壓器容量增大到10000KVA以上時(shí)，jP、jQ下降更加明顯。隨著變壓器耗能參數(shù)的改善，經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)jP有較大的下降，而jQ下降更加明顯。所以，由于變壓器的材質(zhì)不同，容量不同，再加上制造水平不同，其經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)jP、jQ存在著很大差異。

4. 配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

4. 1變壓器“大馬拉小車”的問題的提出

“大馬拉小車”是指變壓器長(zhǎng)期不合理的輕載運(yùn)行，它使變壓器容量得不到充分的利用，效率降低。人們習(xí)慣以變壓器的容量利用率作為劃分“大馬拉小車”的標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)電措施中規(guī)定變壓器負(fù)荷率小于30%即為“大馬拉小車”。其計(jì)算公式為：△P=PDO- PXO+ 2D[(PDK-(SDe/SXe)2 PXK)] (4–1)

4. 2“大馬拉小車”臨界負(fù)載系數(shù)的確定

“大馬拉小車”負(fù)載系數(shù)應(yīng)根據(jù)變壓器損失率的變化規(guī)律確定。按有功損失率確定臨界負(fù)載系數(shù)，其計(jì)算公式為：ΔPd%=( Po+2Pk)/(Secosφ+Po+2Pk)*100% (4–2)

設(shè)“大馬拉小車”有功臨界負(fù)載系數(shù)為L(zhǎng)，則有功功率的臨界損失率為：ΔPL%=( Po+ L2Pk)/( LSecosφ+ Po+ L2Pk)*100% (4–3)

臨界損失率與最低損失率的關(guān)系式為：ΔPL%=KL*ΔPd% (4–4)

KL---為變壓器“大馬拉小車”臨界有功損失率系數(shù)。

解得：L=(KL±(KL2-1)1/2) (4–5)

由此可知，只要變壓器實(shí)際負(fù)載系數(shù)≤L，則變壓器運(yùn)行在“大馬拉小車”區(qū)間內(nèi)。L的大小與和KL的大小有關(guān)。

KL值選的較小，即ΔPL%較小，則L增大，即增大了變壓器“大馬拉小車”的范圍。反之，KL值選的較大，即ΔPL%較大，則L減小，即減小了變壓器“大馬拉小車”的范圍。但運(yùn)行損失率增大，因此選取L時(shí)要考慮ΔPL%不能太大，又要照顧到變壓器更換條件不能太多，同時(shí)又要考慮更換小容量變壓器后的經(jīng)濟(jì)效益。因此，推薦選值為1.5。代入式L =0.382 (4–6)

4.3 變壓器經(jīng)濟(jì)容量的確定

兩臺(tái)容量相近的變壓器都能滿足供電要求，但選擇哪臺(tái)變壓器必須進(jìn)行分析計(jì)算才能確定。

容量較大的變壓器和容量較小的變壓器功率損失和負(fù)載系數(shù)公式為：

ΔPD=Po+D2Pk (4–7)

ΔPX=Po+X2Pk (4–8)

X = D(SDe/SXe) (4–9)

根據(jù)上式可得出臨界經(jīng)濟(jì)容量的計(jì)算公式：SL=[(PDO- PXO)/(PXK / SXe2 - PDK / SDe2)]1/2 (4–110)

臨界經(jīng)濟(jì)容量的意義是指當(dāng)按實(shí)際負(fù)載需用變壓器的容量S> SL時(shí)，則選用容量大的變壓器;反之，S時(shí)，則選用容量小的變壓器。

5. 科學(xué)管理和變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

5. 1變壓器更新和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

設(shè)備更新的目的不單純是消除其有形磨損，更是為了消除其無(wú)形磨損。只有不斷更新的途徑才能從根本上使設(shè)備損耗降低、效率提高，改善技術(shù)落后狀況。

更新變壓器必然會(huì)帶來有功電量和無(wú)功電量的節(jié)約。但要增加投資，這里也存在一個(gè)回收年限的問題。變壓器不是損壞后才更新，而是老化到一定程度，還要有一定剩值時(shí)就可以更新。變壓器廠家對(duì)各種不同型式、不同容量的變壓器的使用壽命都有規(guī)定，一般為20年。使用單位按這一規(guī)定年限提取設(shè)備折舊費(fèi)，并進(jìn)行變壓器更新。

5. 2技術(shù)管理和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

1)減少變壓器的降壓次數(shù)，就減少了變壓器的損耗。

2)在安全條件的允許下，對(duì)于變比小于2的變壓器，盡量采用自耦變壓器。自耦變壓器和同容量的兩線圈的變壓器相比，有功和無(wú)功損耗要減小很多。

3)不同的功率因數(shù)引起的變壓器有功和無(wú)功消耗也不同，即隨著功率因數(shù)的提高，變壓器的有功和無(wú)功消耗都要下降。因此，應(yīng)盡量提高功率因數(shù)，降低變壓器的無(wú)功功率。

4)變壓器繞組的電阻隨著溫度增高而增大。對(duì)同一臺(tái)變壓器在同一負(fù)載下，如果溫度越低，損耗也越低。因此，應(yīng)作好變壓器散熱，降低變壓器的溫度。

電力變壓器、干式變壓器、油浸式變壓器、箱式變壓器、美式變壓器、高低壓配電柜等電力設(shè)備制造專家。

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6. 結(jié)束語(yǔ)

如上所述，開展變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍很廣，辦法很多，節(jié)電效果也很好。

6. 1首先是充分利用現(xiàn)有設(shè)備條件，通過詳細(xì)分析和嚴(yán)密計(jì)算，選擇技術(shù)參數(shù)好的變壓器和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式運(yùn)行

6. 2其次通過加強(qiáng)供電的科學(xué)管理來實(shí)現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

6. 3對(duì)不合理的運(yùn)行方式，必須用新增設(shè)變壓器實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。所增加的投資，通過節(jié)電很快能收回。