李百可，鞠振河，潘冬輝

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

變壓器的經(jīng)濟運行，就是充分利用現(xiàn)有設(shè)備條件，通過擇優(yōu)選取運行方式并按變壓器的運行條件來調(diào)整負荷，使得在供電量相同的情況下，最大限度地降低變壓器的損耗。所以，變壓器經(jīng)濟運行的實質(zhì)就是變壓器的少消耗電能的運行。對鞍山工業(yè)園區(qū)變電所4臺短路阻抗不同的變壓器，在不同并列運行方式下進行經(jīng)濟分析，在相同負載條件下，通過計算求出變壓器的經(jīng)濟運行負載系數(shù)，并據(jù)此畫出變電所內(nèi)變壓器的經(jīng)濟運行曲線求其交點，按負載從小到大的順序選出變壓器的經(jīng)濟運行區(qū)間。

由于不同變壓器的技術(shù)特性存在差異和變壓器的有功損耗與負載存在函數(shù)關(guān)系，因此根據(jù)不同負載大小，可按照經(jīng)濟運行負載通過Matlab仿真軟件，畫出變壓器損耗ΔP與負載S之間關(guān)系的曲線，以此來選取技術(shù)參數(shù)恰當(dāng)?shù)淖儔浩饕宰罴训慕M合方式運行，從而降低變壓器在運行過程中產(chǎn)生的不必要的經(jīng)濟損失和電量損失。

1 變壓器經(jīng)濟運行簡介

1.1 變壓器經(jīng)濟運行的概念

變壓器的經(jīng)濟運行，是使變壓器綜合功率損耗減到最小的運行方式。理論上講變壓器的功率損耗包括有功功率損耗、無功功率損耗和負載損耗。

變壓器的有功功率損耗包括空載損耗P0和短路損耗Pk，其中空載損耗又稱不變損耗，而短路損耗與電流的二次方有關(guān)，又稱可變損耗。變壓器有功損耗ΔP計算公式為

(1)

式中，β為變壓器負載系數(shù)；I2為變壓器負載側(cè)負載電流(A)；I2N為變壓器負載側(cè)額定電流(A)；P2為變壓器負載側(cè)有功功率(kW)；SN為變壓器額定容量；cosφ為變壓器負載側(cè)功率因數(shù)。

另外，變壓器的無功功率損耗其實遠大于有功功率損耗，其中包括勵磁損耗Q0和漏磁損耗Qk，則變壓器側(cè)無功功率計算公式為

ΔQ=Q0+β2Qk

(2)

變壓器綜合功率損耗公式為

ΔPZ=∑ΔP0+∑β2ΔPk

(3)

其中：

ΔP0=ΔP+KQQ0+KPP0

(4)

ΔPk=Pk+KQQk+KPPk

(5)

式中，KP為有功功率經(jīng)濟當(dāng)量；KQ為無功功率經(jīng)濟當(dāng)量。

所以由上述公式可知，在變壓器經(jīng)濟運行計算當(dāng)中，求得變壓器的負載系數(shù)至關(guān)重要。當(dāng)采用優(yōu)質(zhì)節(jié)能變壓器或變壓器負載系數(shù)維持在經(jīng)濟負載系數(shù)上下時，變壓器的功率損耗自然會隨之減少。

1.2 變壓器經(jīng)濟運行的必要性

變壓器是在電力系統(tǒng)輸電和配電過程中應(yīng)用極為廣泛的電氣設(shè)備。在變壓器運行過程中，變壓器雖電能損耗不大，但變壓器負載時間很長，綜合其損耗的電能大約會占發(fā)電量的10%左右，占電力系統(tǒng)總損耗的30%以上。所以，變壓器的經(jīng)濟運行對整個電網(wǎng)的節(jié)能損耗具有重要的意義。降低變壓器的損耗既能為發(fā)、供電企業(yè)節(jié)約電能，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益，又能改善環(huán)境、支持溫室氣體減排工作，從而實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟變電所的目標。

2 變壓器經(jīng)濟運行臺數(shù)分析

2.1 確定經(jīng)濟運行方法分析

在變壓器經(jīng)濟運行計算過程中，經(jīng)常把變壓器作為理想變壓器，忽略計算過程中帶來的不便，但在實際計算中會遇到各種各樣的問題，例如實際變壓器兩側(cè)電壓變比與額定電壓比不同、變壓器短路阻抗不同等等。在經(jīng)濟運行計算過程中也會面對各種各樣的問題，例如變壓器并聯(lián)運行臺數(shù)的確定、大容量變壓器與小容量變壓器之間優(yōu)先選擇的確定、不同視在負載功率變壓器優(yōu)先選擇的確定，最主要的還是變壓器經(jīng)濟運行區(qū)間的確定。

1)潮流分析法，采用經(jīng)典的潮流計算方法進行潮流計算，可以得出各節(jié)點的電壓以及變壓器各條支路上的功率流和損耗，即在已知變壓器參數(shù)和變壓器兩端所帶負荷時，可通過Etap軟件來進行仿真分析，求各臺變壓器的損耗之和。也就是在中低壓側(cè)母線負荷已知的條件下，求出不同運行方式下的變壓器損耗。通過比較不同運行方式下產(chǎn)生損耗的大小，得出最經(jīng)濟的運行方式。雖然此方法具有很高的可靠性，但存在計算量大、耗時問題。

2)原始數(shù)據(jù)改善法，即對變壓器的空載損耗和短路損耗重新進行計算，對兩種損耗進行重新估值，進而大大提高了計算精度和可信度，但其計算量偏大，不利于實際操作。

3)最常用的是臨界點劃分法，當(dāng)計算出經(jīng)濟負載系數(shù)，畫出不同負載損耗的曲線時，求其交點來獲得功率臨界點，從而劃分出經(jīng)濟運行區(qū)間。變壓器負載損耗與S關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 變壓器負載損耗ΔP與S關(guān)系曲線

從圖1中可以看出有三條曲線并有三個交點，當(dāng)視在負載S在0～500 kVA時，接入不同型號的變壓器或兩臺變壓器時，y3變壓器運行功率損耗最小，最為經(jīng)濟，交點處即y1和y3變壓器所產(chǎn)生的功率損耗的臨界點。當(dāng)總負荷S在500～1 100 kVA時，變壓器y1所產(chǎn)生的運行功率損耗最小，當(dāng)總負荷S>1 100 kVA時，y1和y3兩臺變壓器并聯(lián)運行更為經(jīng)濟，獲得臨界點時，就可以確定變壓器的經(jīng)濟運行區(qū)間。

2.2 變壓器經(jīng)濟運行方式的計算

1)兩臺容量不同的A、B變壓器，單臺變壓器功率損耗公式為

(6)

令A(yù)、B兩變壓器負載損耗ΔP相等，可求得各自單臺運行時的臨界負載功率SA-B,則SA-B的計算公式為

(7)

由式可知，在SA-B≤SB時,則S≤SA-B為變壓器A先獨自運行經(jīng)濟，反之，B變壓器獨自運行經(jīng)濟；反之亦然。

2)單臺與兩臺并列運行時，即求A變壓器與A、B并列運行時的臨界負載功率，單臺A變壓器功率損耗公式為

(8)

A、B并列運行時的功率損耗為

(9)

所以，當(dāng)ΔPA=ΔPAB時，可求得兩種運行方式的臨界負載功率SA-AB,計算式為

(10)

由式可知，當(dāng)SA-AB≤SB時，則S≤SA-AB為變壓器A獨自運行經(jīng)濟，S>SA-AB為A、B并聯(lián)運行經(jīng)濟；反之亦然。

所以，在采用臨界點劃分法時，一定要計算出不同運行方式下負載損耗功率的臨界點，即畫負載損耗曲線的交點，然后才能確定變壓器的經(jīng)濟運行區(qū)間。

3 工程實例

鞍山工業(yè)園區(qū)南園變電所有主變壓器4臺，其參數(shù)如表1所示。

表1 南園變電所變壓器參數(shù)

1)由表1可以看出是4臺短路阻抗和額定容量不同的雙繞組變壓器，因為并聯(lián)運行的變壓器短路電壓算術(shù)平均值相差較大，因此需計算4臺變壓器并列運行的負載分配情況。采用的方法是臨界劃分法，需計算出變壓器的負載損耗ΔP與負載系數(shù)β，畫出負載損耗ΔP與視在負載S的關(guān)系曲線，通過臨界點劃分出經(jīng)濟運行區(qū)間，從而確定變壓器的經(jīng)濟運行方式。

各臺變壓器的負載系數(shù)公式為

(11)

式中，Uk為短路電壓百分比；SNi為單臺變壓器的額定容量(kVA)；S為N臺變壓器并聯(lián)運行的總負荷(kVA)。

根據(jù)公式(6)～(9)，可以畫出負載損耗ΔP與視在負載功率S的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 4臺變壓器所有運行方式下負載損耗曲線

根據(jù)公式(7)，可以計算出S7-5=246.797(kVA),根據(jù)Matlab仿真曲線可以計算其他運行方式下的臨界負載功率，如表2所示。

表2 臨界點負載功率

用Matlab求交點程序進行驗證，臨界點值誤差很小，如圖3所示。

圖3 5#與7#變壓器負載損耗曲線

經(jīng)過Matlab仿真運算可得交點值為246.792 2 kVA。

2)根據(jù)經(jīng)濟運行節(jié)約功率的計算公式，單臺與單臺比(A比B)：

(12)

單臺與兩臺比(A比AB)：

(13)

以本例鞍山變電所來說，近一年之中變電所所帶負荷，如表3所示。

表3 變電所一年內(nèi)各個月份所帶負荷

根據(jù)表3所載負荷，應(yīng)采用的經(jīng)濟運行方式如表4所示。

表4 經(jīng)濟運行方式

已知鞍山變電所的變壓器運行方式為1、3、5三臺變壓器并聯(lián)運行，根據(jù)表4得出的經(jīng)濟運行方式，各個月變壓器運行電能損耗比較如表5所示。

表5 各個月變壓器運行電能損耗比較

由表5可知，通過確定經(jīng)濟運行區(qū)間，選擇合適變壓器運行方式后，一年中節(jié)省的電能損耗為ΔP=2 019.45 kW，若按照電價0.5 kW/h算，每年大約節(jié)省24 233.4元。

綜上所述，盡管變壓器的損耗不是很大，但變壓器運行時間較長，日積月累，累計降損節(jié)能效果明顯，節(jié)電效益將是可觀的。

4 結(jié) 語

變壓器是電力系統(tǒng)輸電過程中必不可少的一環(huán)，變電所應(yīng)根據(jù)用戶負荷的變化，計算變壓器所帶負載，根據(jù)已有公式的理解和計算，合理選擇變壓器的運行臺數(shù)，實現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟運行，降低電網(wǎng)的運行損耗，提高經(jīng)濟效益。

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