劉 霖,丁文田

（鄭州供電公司，河南鄭州，450000）

0 前言

提升電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的主要手段是降低電網(wǎng)的損耗率，而電網(wǎng)損耗率要想降低，就要通過降低運(yùn)行變壓器的有功損耗，因此變電站變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的問題成為電力專家及企業(yè)高度關(guān)注的問題。本文首先概述變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要意義，簡析變壓器組成及工作原理，并對變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式進(jìn)行分析，最后對變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式控制系統(tǒng)展開探討。希望能通過分析和探討一定程度改善變電站變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況，以提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源的目的。

1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的意義

能源是社會及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動力，也是人類賴以生存的必要條件，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，能源的消耗問題已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，如何節(jié)約能源也具有非常重要的意義。電力就是一種使用便捷的二次能源，變壓器是應(yīng)用廣泛的一種電氣設(shè)備。通常來說，從發(fā)電、供電到用電的過程需要進(jìn)行三到五次的變壓，所以變壓器的數(shù)量和容量都比發(fā)電機(jī)要高。變壓和傳遞功率過程，變壓器會產(chǎn)生功率損耗，而且由于變壓器數(shù)量及容量都很高，所以在電力系統(tǒng)中變壓器電能損耗占總發(fā)電量的十分之一左右，而變壓器損耗占電力系統(tǒng)總損耗的一半左右，也就是說變壓器的經(jīng)濟(jì)損耗就等同于一個(gè)大型電力系統(tǒng)的發(fā)電量。因此，對于變電站變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究已經(jīng)成為發(fā)電、供電及用電部門共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

變壓器電能損耗降低的途徑有改造并更新高能耗變壓器，同時(shí)開發(fā)節(jié)能變壓器，還有一種方式是對變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行探究。我國前幾年實(shí)行了農(nóng)村電網(wǎng)改造工程，幾乎所有的供電和用電部門都將高能耗變壓器更換掉，但由于傳統(tǒng)觀念的影響，或是容量電價(jià)制約、科學(xué)分析制約等因素影響，大部分供電和用電單位的變壓器沒有采取經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，如果全國推行變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，至少能節(jié)省用電總量的1%，也就是每年全國可節(jié)省100億kWh以上的電量。因此對于變電站變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的探究具有非常重要的意義。

2 變壓器組成及工作原理概述

2.1 變壓器組成

變壓器最基本的組成有繞組和鐵芯，但為了更好的解決變壓器運(yùn)行中遇到的問題，如散熱、密封和安全問題等，變壓器通常還包含油箱、儲油柜、平板式接線端子、冷卻裝置、有載分接開關(guān)和測量油溫的溫度計(jì)等。

繞組是組成變壓器電路的部件，作為電流的載體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和磁通；鐵芯的主要作用是支撐繞組并構(gòu)成磁路，為提高導(dǎo)磁性能并降低鐵芯的渦流損耗及磁滯損耗，變壓器的鐵芯利用低損耗、高磁導(dǎo)率的冷軋硅鋼片制作而成；油箱包括吊攀、溫度計(jì)座、拖耳、擋板、壓力釋放閥、進(jìn)油閥和接地板等；儲油柜包括排污管、放氣塞、進(jìn)油管、油位計(jì)和吊攀等；冷卻裝置通常包括供電電源切換裝置和低噪音風(fēng)扇等。

2.2 變壓器工作原理

變壓器的原繞組和副繞組分別纏在同個(gè)鐵芯兩側(cè)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，原繞組有交流電源提供的電流i1經(jīng)過時(shí)，會對鐵芯產(chǎn)生影響從而鐵芯產(chǎn)生出同時(shí)交連于兩個(gè)繞組的交變磁通，產(chǎn)生的交變磁通會使原副繞組產(chǎn)生相同頻率的感應(yīng)電動勢。假設(shè)原、副繞組感應(yīng)電動勢分別為e1、e2，副繞組利用負(fù)載Z形成回路，e2就可以作為Z的電源進(jìn)行工作。結(jié)合圖2-1顯示的正方向和電勢感應(yīng)定律可知：

因此，交流電源使原繞組獲得電能，然后通過鐵芯中的交變磁通副繞組將電能傳遞給負(fù)載。原繞組和副繞組的電動勢滿足電壓比例公式從公式可以看出原繞組和副繞組變化會使e2變化。實(shí)際上，變壓器可以傳遞交流電能，而且不會被改變，但是交流電流和交流電壓會改變，頻率不會被變壓器影響。

3 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式分析

3.1 經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)

在傳輸電能的過程中，變壓器自身會消耗一定功率（包括無功功率損耗和有功功率損耗），變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中存在綜合功率損耗，所謂綜合功率損耗是指有功功率損耗和因其消耗無功功率使電網(wǎng)增加的有功功率之和。傳輸電能的過程中，變壓器的自身損耗功率與其傳輸功率之比成為功率損耗率，和負(fù)載率是二次曲線關(guān)系，關(guān)系圖如圖3-1所示。

圖3 -1 變壓器功率損耗率和負(fù)載率的曲線關(guān)系圖

從變壓器功率損耗率與負(fù)載率的關(guān)系圖可以看出，功率損耗曲線存在一個(gè)永久的最低點(diǎn)，我們將這個(gè)最低點(diǎn)所對應(yīng)的負(fù)載系數(shù)成為有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，因此對變壓器無功功率損耗率和變壓器綜合功率損耗率求導(dǎo)后能得到綜合經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)和無功經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)。

3.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間劃分

利用變壓器技術(shù)參數(shù)可以計(jì)算出運(yùn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，但是在實(shí)際運(yùn)行中的變壓器的負(fù)載是變化的，以綜合功率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為例，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間可以劃分成以下幾個(gè)階段：第一，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，也稱可運(yùn)行區(qū)。變壓器在這個(gè)區(qū)間的損耗率比額定負(fù)載損耗率要低；第二，最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，這個(gè)區(qū)間的變壓器運(yùn)行效率很高；第三，最劣運(yùn)行區(qū)，變壓器在這個(gè)區(qū)間的運(yùn)行效率最低，損耗率最高。

圖2.1 變壓器工作原理圖

變壓器節(jié)能與負(fù)荷率不是成正比，也就是說即使變壓器處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)內(nèi)，也并非一定是最節(jié)能運(yùn)行方式，最科學(xué)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式是負(fù)荷率最大程度的與經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)接近，在實(shí)際中應(yīng)該根據(jù)變變電站實(shí)際情況并進(jìn)行計(jì)算和分析后，選擇最適當(dāng)?shù)淖儔浩魅萘?、型號和?fù)載率。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系數(shù)也不是固定的，變壓器系列不同其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系數(shù)就會不同，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系數(shù)越低的變壓器節(jié)能效果越好。

4 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)研究

目前使用比較廣泛的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析軟件，基本是先對變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后將變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)達(dá)給調(diào)度部門，再由調(diào)度部門向調(diào)度員傳達(dá)命令，最終變電站運(yùn)行人員才能完成操作，這個(gè)復(fù)雜的過程會嚴(yán)重影響執(zhí)行效率，而且過程復(fù)雜再加之頻繁的認(rèn)為操作，會大大提高操作失誤或錯(cuò)誤的幾率，從而對電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性都有很嚴(yán)重的影響。如何高效快速的將變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式投入到變電站運(yùn)行中去成為最急切需要解決的問題，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)能夠有效解決這一問題，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)也就是變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，利用自動投切變壓器實(shí)現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，能夠?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)和集中的控制，不僅節(jié)約電能、提高電能質(zhì)量，還提高電力系統(tǒng)的自動化水平，同時(shí)變壓器使用壽命也大大延長，對電力系統(tǒng)所帶來的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益都有很大促進(jìn)作用。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。

4.1 傳統(tǒng)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)

電網(wǎng)正常運(yùn)行下，變壓器運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換是正常工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，而不是故障狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換。實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行中負(fù)荷情況會不斷變化，其大小不能通過人為來控制，但變壓器運(yùn)行方式取決于實(shí)際投運(yùn)的負(fù)載情況。傳統(tǒng)變壓器正常運(yùn)行轉(zhuǎn)換過程為：變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析軟件結(jié)合負(fù)荷投運(yùn)情況及變壓器參數(shù)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件，決定其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，然后值班人員對其結(jié)果及客觀條件進(jìn)行分析，按照操作流程人工確定變壓器運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換的操作票，最后根據(jù)操作票手動或自動完成其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)主要包含兩個(gè)方面：第一，諸多客觀因素會對儀表采集的負(fù)荷投運(yùn)情況有影響，如造成電氣設(shè)備動作誤差或儀表數(shù)據(jù)采集誤差等；第二，整個(gè)變壓器運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換的過程都要有人員參與，因此要求值班人員具備專業(yè)知識，這樣才能降低由于人為操作或判斷錯(cuò)誤而造成錯(cuò)誤或失誤操作。通常變電站變壓器運(yùn)行中負(fù)荷會發(fā)生多次變化，所以值班人員承受的工作壓力和勞動強(qiáng)度較大，如果負(fù)荷發(fā)生大幅度變化，還會增大變壓器經(jīng)濟(jì)方式比較和判斷的難度，很可能錯(cuò)過最佳變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式時(shí)機(jī)。

4.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化

科學(xué)先進(jìn)的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)通常包含主變經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析、電網(wǎng)模型管理和自動控制等功能。主變經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析和自動控制功能：操作人員采取人工介入方式能夠更經(jīng)濟(jì)和高效的對設(shè)備進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)通過命令的方式為開環(huán)控制提出方案，操作人員根據(jù)調(diào)整后可降低的有功損耗、無功損耗及實(shí)際情況對是否進(jìn)行控制加以判斷。另外，如果想要降低操作人員的工作強(qiáng)度，可以選擇完全由變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)結(jié)合參數(shù)和事先準(zhǔn)備好的計(jì)算方法計(jì)算出最適合的方案，實(shí)現(xiàn)自動控制；電網(wǎng)模型管理功能：變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)內(nèi)部具有圖模庫一體化建模工具，首先系統(tǒng)利用建模工具建模，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)也能確保數(shù)據(jù)庫和圖形數(shù)據(jù)保持一致，其次系統(tǒng)建模以一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，有利于與高級應(yīng)用軟件系統(tǒng)之間的交互，降低維護(hù)系統(tǒng)的工作量。對變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，主要要體現(xiàn)其先進(jìn)性和科學(xué)性，因此就要充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、通信技術(shù)和高級應(yīng)用軟件即EMS功能，其中EMS功能主要包括潮流計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒇?fù)荷預(yù)測和狀態(tài)估測等，對變壓器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，利用這些科學(xué)先進(jìn)的技術(shù)，能夠很好的解決傳統(tǒng)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)的不足之處。

5 結(jié)束語

變壓器是電力系統(tǒng)運(yùn)行過程必不可少的設(shè)備，變壓器在變換電壓和傳輸功率時(shí)，自身不僅會產(chǎn)生有功功率損耗，還會產(chǎn)生無功功率損耗。如果不考慮其他因素，即使變壓器工作效率高達(dá)95%以上，但由于變壓器使用數(shù)量多且容量高，長期連續(xù)運(yùn)行必然會產(chǎn)生較大的損耗累計(jì)值，根據(jù)有關(guān)部門提供的數(shù)據(jù)顯示，全國電網(wǎng)中變壓器損耗占發(fā)電總量的3%以上，因此對變電站變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的探討十分重要，同時(shí)也要設(shè)計(jì)并開發(fā)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的智能化、自動化和高效的控制。

[1]羅宜,李咸善,變電站變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的探討,華中電力,2007, (02)

[2]黃強(qiáng),游大海,變電站變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的探討,湖北電力,2001, (02)

[3]崔傳軍,變電站變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的論述,硅谷, 2010,(24)