（电力系统及其自动化专业论文）大型配电变压器经济运行的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 s h o r t - t e nl o a d b e f o r ef o r e c a s t i n gs h o r t - t e nl o a d ，d e f e c t i v ed a t aa r e e l i m i n a t e d 厅o mh i s t o r i c a lr e c o r d sb ym a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c a l m e a n s ， a n dh i s t o r i c a ld a t aa r ep r e t r e a t e dl e n g t h w a y sa n d t r a n s v e r s e l yt og e tr i do f2 l b n o n n a ld a t aa n ds m o c 肚ll o a dc u r v e w h e r e a su r b a nr e s i d e n t a n dc o m m e r c i a lk a dh a v e c o n s i d e r a b l ep e r c e n t a g eo f t a i y u a n1 0 a da n dt h e ya r es e n s i t i v e t ow e a m e rf a c t o r s t h e r e f o r e ，w h e n f o r e c a s t i n gs h o n t e r n l l o a db yt h r e el a y e r sp d 、t na n df o u rl a y e r sa n n ，i ti ss o n e d a c c o r d i n g t ow h e m e rc o n s i d e r i n gw e a m e rf a c t o r so rn o t b e c a u s ea n nh a s1 0 c a lr n i n i m u mv a l u ea 1 1 di t sc o n v e r g e n c e s p e e di ss l o w ，a n n s 、v e i 曲tv a l u ea n dt h r e s h o l dv a l u ea r e c o n f i m l e db yg a 、 s h o r t - t e 眦l o a do ft a i y u a na r e ai sf o r e c a s t e db yt h e a b o v em e t h o d si n 协e 1 e s i sa n dt i l es u m m a 叮i sa sf o l i o w s ： t h o u 曲w e 拙e rf a c t o r si l l n u e n c el o a d ，a s 妇a st a i y u a n 擎i d i sc o n c e m e d 也a tm er e s u l t sw i 廿l o u tw e a t h e rf a c t o r sa r e s u p e r i o r t ot h o s ew i t l lw e a ：t l l e rf a c t o r sw r h e n e l e c t r i c i t yi s s e v e r es h o r t a g e ；0 1 1 1t h eb a s i so fl o t so fc a l c u l a t i o n ，f b u r1 a y e r s a n ni ss u p e r i o rt o 吐l r e el a y e r sa n na tm ea s p e c to f 如n c t i o n m a p p i n ga b i l i 吼a n dw h e na n nc o m b i l l i n gw i mg a ，n u m b e r s o fc l l r o m o s o m eg e n eo ff o u r l a y e r sa n n a r el e s st h a n 也o s eo f t h r e e1 a y e r sa n n s oc o m p a r e dt ot h r e el a y e r sa n n ，f o u r 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 变压器经济运行国内外发展现状 为了降低变压器损耗，提高变压器的运行可靠性，各国都深入研 究变压器的电磁原理，利用变压器容量与损耗之间的关系，变压器与 运行成本之间的关系，试图推导出特种变压器的基本电磁关系。日本， 美国，德国，瑞士等国家，相继采用i e c 7 6 标准对变压器进行细分。 目前。国内外在有关变压器节能技术方面已经取得了一些成果， 其基本方法主要有推广使用高效能低损耗的变压器，正确选用变压器 容量和台数，提高变压器功率因数等。 1 9 9 6 年美国电气制造商协会依据n e 淞t p l 标准给出了一种特 有的经济分析方法总拥有费用法( t o c ) 。按总拥有费用最低来选 择变压器。1 9 9 8 年美国能源部和环保署共同发起了推广高效能低损 耗配电变压器的“能源之呈变压器计划”。据估算，欧盟通过使用高 效低损耗配电变压器，每年可节约电能2 2 0 亿k w h 。目前，欧盟委员 会，能源和交通的产业代表正在制定一个推广高效低耗配电的最低能 效的欧洲标准。在中国，在电力系统及其它电力用户的要求下，要各 级政府部门和重视下，中国的高效低损耗变压器的推广工作近几年得 到了长足的发展。2 0 0 0 年初节约用电管理办法中明确指出，要 加速推广节能型变压器。 对于变压器的节能除使用高效低损耗的变压器外，还可以在充分 利用现有设备和原有资金条件下，通过择优选取变压器经济运行方 式，负载调整的优化，变压器运行位置的优化组合以及改善变压器运 行条件等技术措施，从而最大地降低变压器的电能损耗和提高其电源 侧功率因数。有关变压器经济运行问题，沈阳工业大学成立了变压器 经济运行研究所，胡景生教授就变压器经济运行方式进行了系统的理 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 论分析，并且通过大量的实例说明变压器经济运行是一种经济实用的 节电手段。 变压器经济运行的理论分析和生产实践证明，变压器存在着经济 运行，那就是把变压器经济运行的优化理论和定量计算方法与变压器 各种实际运行工况密切相结合，其结果是变压器的损耗明显减少。2 0 年来，我国一些地区推广变压器的经济运行，取得了较好的节电效果， 但是由于没有一个统一的技术标准，而且还有人们习惯性的错误认 识，所以普通存在着不同程度的变压器低效运行问题，主要表现在： ( 1 ) 凡是一台变压器能承担的负载，就不用两台运行； ( 2 ) 凡是小容量交压器能承担的负载，就不用大容量变压器运行 ( 3 ) 如何判定变压器过轻负载( 俗称“大马拉小车”) 的问题，长期 以来都是以变压器容量利用率来划分，其结果不仅不省电，反而浪费； ( 4 ) 认为变压器是高效率的设备，开展经济运行无潜力可挖 ( 5 ) 错误地认为变压器的利用率越高，变压器损失的电能就越小( 即 效率越高) 1 3 本文的主要工作 在综述了变压器经济运行方法研究和应用现状的基础上，本文的 主要工作包括如下几个方面： 分析典型变压器的参数，计算电能损失，根据计算过程中所用的 参数和计算方式，找出了影响变压器损耗的主要因素。 在变压器经济运行的原理基础上，分析了变压器经济运行的几种 不同情况，讨论了如何把变压器经济运行原理与实际相结合来达到降 低变压器的电能损耗和提高电源侧功率因数的目的。 配电变压器是整个电网中大量使用的一种高效电器设备，数量 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章变压器的发展、结构与工作原理 2 1 变压器的发展 变压器是交流输电、变电、配电过程中主要设备之一“1 。自从 1 8 3 1 年法拉第( 英) 发现具有划时代意义的电磁感应现象以来，利 用互感改变电压的方法已有多人考虑过，利用变压器的雏形是1 8 5 1 年由列姆勒夫提出的感应线圈。1 8 8 2 年，莫斯科全球展览会上，乌 蒴金首次展出了有升压、降压变压器的高压变电装置。1 8 8 5 年，匈 牙利拉提、德利、齐佩诺夫斯基三位工程师发明了变压器及感应电机， 并研制出第一台工业实用性变压器。这种早期变压器，当时被人们称 为“二次变压器”。o 3 变压器问世后，经过近百年的技术改进与发展，用途十分广泛， 品种规格随着用电种类的增加也越来越多。目前可分为电力变压器和 特种变压器两大类。1 。按调压方式可分为无激磁调压和有载调压变压 器两种。 随着电网的扩大、发电机单机容量的增大、输电电压的提高及 输电功率的加大，本世纪3 0 年代开始，要求发展更高电压的大型电 力变压器。同时能耗也逐步加大，变压器是输变电系统中的重要组成 部分。它本身性能的优劣直接影响电力系统的供电质量，所以设计、 制造、使用低能耗变压器具有客观的经济效益和社会效益。中小型变 压器是我国发展节能型变压器的重点。 中国自行制造电力变压器始于1 9 1 7 年，本世纪5 0 年代以前主 要采用欧美技术。5 0 年代以后前苏联的技术在中国电力变压器的发 展中起主导地位，变压器制造成全面仿苏。这一过程客观上推动了中 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 国电力变压器技术的成长。1 9 5 8 年我国由仿苏走向自行设计，6 0 年 代，我国早期生产的电力变压器皆为依照国家g b 5 0 0 6 4 和j b l 3 0 0 7 3 标准制造的高耗能变压器，80年代，全国统一设计的s7、s9系列变 压器，比原有的变压器损耗来均下降i3左右，低耗能系列变压器的 设计与制造成功，缩小了变压器产品和国际水平的差距，是中国变压 器技术的一个大嚣耋：i ；篓萄i 茎雾薹! 硼堂牛吐王l i 囊纛l g 荤 基窆乒札墅冀蝗。辎器啷藏强鲢碗器至鹈疆疆。翟蜒糕鼍髫龋l 莉 芦，牛蚕1 0 9 61 霎熹鬟霎| 錾甥囊羹篓萎 圳崭翳鹫判烈幕曜氆趟呻肾瞪j 璎哮二爆避：嚣镳犁舞；驰牿 禹醺嘏鲽鞘。趸受磁通鬟黪乾弹醑张鞫馨魏驰i 烈。拯埋爱岵! “。 带每窿蠢溪角成怪；萋罚符剐牟怎塑蕉泛治箍压；翼蓠蠹 ) e 2 _ 一警 悟z ) 则毒= 鲁，当改变原、副绕组的匝数即可改变副绕组的电压， 若在绕组2 上接负载，便有交流电能输出，从而实现了不同电压等级 电能出，从而实现了不同电压等级 电能的传递。x 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 变压器的主要技术参数 变压器的技术参数可表征变压器在供电过程中自身损耗的性能 有功功率损耗和无功功率消耗，所以变压器的技术参数是分析计 算变压器经济运行的基础数据。变压器铭牌上标志的参数，一类是额 定参数，表示变压器的基本性能，另一类是技术参数，表示变压器在 供电过程中自身损耗的性能。 2 4 1 双绕组变压器的技术参数“1 变压器额定参数包括变压器的额定容量吼，一次侧与二次侧的 额定电压u 。和己，：。，额定电流，。和，：。，它们之间的关系是变压器 最基本的计算式 s = 3 己，l i i = 3 u 2 j 2 ( 2 3 ) 变压器技术参数包括：空载电流厶，空载损耗最，短路电压u 。 及短路损耗斥c ( 1 ) 空载电流( 励磁电流) 空载电流的主要作用是在变压器空载运行时建立主磁通，并维持 一次绕组中的低量损耗，所以常把空载电流称为励磁电流。 当变压器一侧绕组开路，另一侧加以额定电压时，在加电压侧绕 组中所产生的电流称为空载电流，。 在计算中空载电流百分值。是由变压器铭牌标定的。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 厶：皇1 0 0 t 式中，。空载电流，爿 ( 2 4 ) i t n 变压器一次侧绕组的额定电流，a ( 2 ) 空载损耗( 铁芯损耗) 所谓变压器的空载损耗只，是指变压器在额定电压和额定频率条 件下，变压器的二次侧( 高压侧) 不带负荷，处于开路状态，次侧 ( 低压侧) 电路供给的功率全部成为变压器的损耗。因为变压器在空 载条件下，它的一次绕组的电流数值小，因此，其铜损也很小，故通 常将变压器的空载有功损失近似地认为等于变压器的铁损。 变压器的铁损为磁滞损耗r 和涡流损耗只之和。1 尸0 = 蝇+ 必 ( 2 5 ) 磁滞损耗咒和涡流损耗只是如何产生的昵? 由于铁心受交变电流周期性的影响，铁磁材料磁偶极子的排列也 随着作周期性的变化并产生磁滞现象，因而产生铁心交变磁化的功率 损失，通常称为磁滞损耗p ，它可由下式求得： 妮= 吒归： ( 2 6 ) 式中 必磁滞损耗，矽培 k 。磁滞系数，取决于材料的常数 ，电源频率 胁 口。最大磁通密度丁 g 太愿理工态量早点丝器霉荨俘壁翼 蚕茜j 博誊器幽重璺鬻晶纠雾日日；萋。t ? ? 。脉鼍灞灞涮蕊浠藩 谨浠堪i ii 爨i 。i 誊；：弱辩稳鳃拱瀑姜可 雕露掣蓟煮彭萋i 研 菇艘翳黝韩私为“约涯纠摹引掣扬联揣磐堇高誉莪引钏j 辇未誓剥 积矧矧掣彰霸币条籀汪旧淄，会产生涡流它巧缅士懂錾心蔓篓是掣善 掣堪矬懋暖盟援强酏醚奠z 美州鲫m 强颡蛩乾鲍鲫醚孵秘静” 塑影纽业业1 器黜。 l i 髫矍囊翼 羹荤j 盈漠蟹鎏荔茹羔蠹强髫每崖釜；萋酾带鞋羹。s 彬羹尹 錾薹国藩嵩馁浑廖怪匿越期；澎孺澎藤臻警菇强篷吲唔。u 鸶引 堂副掣裂器娶蕈j 鲞裂爆摧霉。；茵潭竿断魏甬醐磁通墨；替棼 营算履材桫a 巍藕掳潞“酢：慷模悌；瑚吨埔曩陋灏灞淄曼革 滤掰 稿嚣菡x 暮；e 搬咒k 酸辫明p 影粕五酬铋犁鼢萝引，冀萄 麓鬣滗葫嘏菊侮谓涮；隆一主哑用鲐缘源绝终罅；葙盯剥莉莳拜融 靓瑟矧筠雾褡醒馨罱发短路舞。钮：) ) 摧! 毫。拉塑碱g ； ! l l 别荆涕孺涵滋筒留灌 漕篷藤崔情强悟沥哦喙国镐搿漤雀尚垲裂；m 鹭冀雾翮辅矧州 幂蓑潮赝唾强霪。i 襄；：霪。 篓即弟篓卫赫羞攀l 霎嚣 ! 妻一墨i 囊| 一囊；二下雯i l ! ； i 一i ； 黍；i 一霎鋈。i 钳囊二! i ； ；一 比鲤真岔塾器笔票漆搿涔淄僻两| 薹；jj 毳i i 季：争二售 ；毒 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 短路损耗 将变压器二次侧绕组短路，一次侧绕组加电压，当变压器绕组中 流过的电流达到额定值时，此时测得的有功功率即为短路损耗攻。 由于一次侧加以低压，变压器铁耗很小，因此变压器的短路损失可以 认为等于额定工作状态下的铜耗。 上述四个变压器的参数中，空载电流，。及空载损耗r 主要反应 铁芯的特性，是由空载试验测得的。短路电压吼和短路损耗主要 反应一次二次绕组的特性，它们是由额定负载条件下短路试验所取得 的。r 与& 主要反应变压器的有功功率损耗，而j 。与u 。则反应变 压器的无功功率消耗，但要进行换算，其过程如下： 变压器在空载试验时，电源测的视在功率s 。( k 瑚) 为： s o = 3 厶u l = ，o s 1 0 4 ( 2 9 ) 式中 v 。电源测额定电压，k y 厶空载电流百分比， 乳电压额定容量，k 删 变压器在空载时电源侧的励磁功率( 无功功率) “”q 0 ( rv a t ) 的计算式为 q 0 = 厢 ( 2 一i 0 ) 变压器在短路试验时，电源侧的视在功率s 。( k f a ) 应为 s f = 现u 片= u k s x 1 0 ( 2 一i 1 ) 式中 ，电源测额定电流，爿 1 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 矿。吧蔓压器短路电压，量矿 u 。短路电压百分比 变压器额定负载时所消耗的漏磁功率( 无功功率) q 。( 尼v a r ) 的计算式为 级= 一爱 ( 2 一1 2 ) 在进行变压器经济运行的分析的计算时，为了简化计算，常近似 认为 q 0m & = ，o & 1 0 2 ( 2 1 3 ) q 彭s f = u k s 1 0 _ 2 ( 2 一1 4 ) 2 4 2 三绕组变压器技术参数1 在发电厂除发电机以外，如果两种电压向用户供电或与系统联接 时，多采用三绕组变压器。在具有三种电压的变电所，一般也采用三 绕组变压器。 三绕组变压器存在着三侧绕组容量相等和三侧绕组容量不相等 的两种情况。( 本文所计讨论的三绕组变压器都是指三侧绕组容量相 等的情况) 三绕组变压器的三侧绕组的名称通常有：按电压等级区分 为高压侧绕组，中压侧绕组和低压侧绕组；按电源侧与负载侧区分为 电源侧绕组和负载侧绕组；按电压的输入和输出区分为一次侧绕组， 二次侧绕组和三次绕组。 在进行三绕组变压器经济运行的分析计算时，常用的技术参数 有：三侧绕组的额定容量s 。，s ：。，s 。，空载电流，。，空载损 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 耗昂。三侧绕组间的短路电压u m ，u 。，己，。三侧绕组间的短路 损耗斥f 2 攻：，& ，。其中空载电流厶( 空载励磁功率q ) 和 空载损耗r 的物理概念和计算方法相同于双绕组变压器。但三侧绕 组间的短路损耗和短路电压，需要换算成各侧绕组的短路损耗和各侧 绕组的负载漏磁功率后才能进行三绕组变压器的有功功率损耗和无 功功率消耗的计算。 ( 1 ) 短路电压 三绕组变压器的短路电压共有三个值，短路电压u 。：当变压 器的二次侧绕组在短路状态下，使该绕组达到额定电流时，在一次绕 组侧施加的电压：短路电压u 。：使额定容量小的一侧绕组( 二次 侧或三次侧) 达到额定电流时，在另一侧( 二次侧或三次侧) 施加的 电压：短路电压u 。：当变压器的三次侧绕组在短路状态下，使该 绕组达到额定电流时，在一次绕组侧施加的电压。变压器铭牌上所标 定的短路电压值上用百分数u 。，【，u 。表示的。 ( 2 ) 各侧绕组的漏磁功率 根据变压器铭牌上所标定的三个短路电压值，可计算出三个额定 负载漏磁功率q 。，级：，q 。 q m = u 舢s x l o q ( 2 一1 5 ) 鲰”= l3 1 0 一2 ( 2 1 6 ) 瓯2 3 = 2 3 晶1 0 2 ( 2 1 7 ) 各侧绕组的额定负载漏磁功率的q 。，q 。：，绋，计算式 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 鳊= 垃学 = 垃学 = 垃学 ( 3 ) 短路损耗( 额定负载损耗) ( 2 一1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 三绕组变压器的短路损耗共有三个值，短路损耗攻：当变压器 二次侧在短路状态下，使该侧绕组达到额定电流时，在一次侧和二次 侧绕组所产生的总功率损耗：短路损耗& ：，：当变压器三次侧绕组在 短路状态下，二次侧绕组达到额定电流时，二次侧和三次侧绕组所产 生的总功率损耗；短路损耗砟1 3 当变压器三次侧在短路状态下，使 该侧绕组达到额定电流时，在一次侧和三次侧绕组所产生的总功率损 耗。 ( 4 ) 各侧绕组的短路损耗 三绕组各侧短路损耗& 1 攻：，的计算相同于对q 。，q 。：， 鲰，的计算过程。 熙= 生兰 生 铪生五 轮垃学 1 4 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 变压器的功率损耗 2 ，5 ，1 双绕组变压器的功率损耗 ( 1 ) 有功功率损耗 变压器在传输功率过程中其自身要产生有功功率损耗p ( 足) ，主要由两部分组成，即空载损耗与负载损耗。空载损耗是 与负载大小无关的固定损耗，通常容量较大的变压器，其空载损耗越 大。负载损耗是与负载电流成平方关系的可变损耗。在t 小时内，变 压器的有功功率损耗p ( 足) ，损耗率尸的稳态计算式为 p = 晶+ 卢2 & ( 2 2 4 ) 凹：竺。l o o ：墨生：益：。1 0 0 ( 2 2 5 ) 置厣c o s 妒2 + r + 2 砟 式中口t 时间段内变压器的平均负载系数 口：墨： 墨 ： 生! ( 2 2 6 ) 。 只s c o s 妒2z s c o s 伊2 c o s 妒2 负载功率因素 只变压器的输入功率，世矿； p 2 变压器的输出功率，五矽； 只变压器的额定功率，足； s 。变压器额定容量，k 蹦； 4 t 时间内变压器计量侧的电能，足鼢。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 综合功率消耗“” 综合功率损耗是指变压器有功功率损耗和因其消耗无功功率使 电网扪剐托霪喜囊蠹誓。 麦誊囊萋零爹蚤孽謇奏莹冀萋? 奏耋童耄煮妻冀鍪嚣士磊。必 象銎眢兽碍茳盟磐臻霹曼蘑嚣篓黼梦笺毒囊三季蠹篓萋妻一耄鹫霞 譬二耋囊憧：载分配系数羹”湘n 夥躯薹j 囊鬟搴囊誊耄菩芸 呼露囊翥溪冀兰薹善囊囊薹蓦妻霪2 + 屈 ( 2 5 6 ) 所以工程计算式可写为 p =p o + p ? ( + c ；：+ c ；攻，)( 2 5 7 ) 同双绕组变压器的分析一样，以上式( 2 4 2 ) ( 2 5 7 ) 只是三绕 组变压器有功功率损耗的稳态计算式，三绕组变压器的有功功率损耗 的动态计算式分别为 尸：只+ 足n ? & i + k ，：卢；r 2 + k ；斥，( 2 5 8 ) p =r + 定，。卢? ( 最。+ c ；斥2 + 口斥，)( 2 5 9 ) k 。，x r ：，k n 分别为变压器一次侧，二次侧和三次 侧的负负载波动损耗系数2 l x 太原理工大学硕士研究生学位论文 do ， ” k r o z 十m r p “2 # “k z 蛆2 两i 再雨面砸届g c o s 妒2 + r + k r 卢耳 2 5 2 三绕组变压器的功率损耗” ( 1 ) 有功功率损耗 a p = 晶+ 螂+ 嵋十蝎 寥= v o + p ；p n + 8 ；p ( 2 + 8 j p 【3 凹= 咒+ ( 睾2 + ( 砉炽：+ ( 蚤2 & ， ( 2 - 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) ( 2 4 2 ) 式中e ，b ，只分别为变压器的一次侧，二次侧，三 侧绕组的负载损耗，k w ： s ，s ：，墨分别为变压器一次侧，二次侧，三次 侧绕组的负载视在功率，k v a ： 。，卢：，屈分别为变压器一次侧，二次侧，三次 侧绕组的负载系数； 肛盎 屈= 丽a p 3 届= 丽a e z + a e s ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 - 4 5 ) 式中 a ，：，爿，分别为t 时间段内二次侧和三次侧的有功 电量，k 黝： 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 无功功率消耗 三绕组变压器与双绕组变压器相比是一个感性更强的无功负载。 相同于三绕组变压器的有功功率推导过程，三侧绕组容量相同的变压 器无功功率消耗的稳态计算式为 q = q o + 所鲰+ 厉鲰2 + 厉绋3 ( 2 6 0 ) q = q 0 + 群( 敬l + c ；鲰2 + 口绒，) ( 2 6 1 ) 动态计算式为 q = q 。+ k ，。? ( q 。+ c ；q r 2 + c ；q r ，) ( 2 6 2 ) q = q o + j ：r i 声：9 r l + 量r 2 ；q r 2 + k r 3 厨q f 3 ( 2 6 3 ) ( 3 ) 综合功率损耗 稳态计算式： 屹= 异+ 所i + 废：+ 厨， ( 2 6 4 ) 屹= 最z + 所( 。+ 暖2 + c ；，) ( 2 6 5 ) 动态计算式： a p z = r z + k n 所屹。+ 世r 2 卢；最z 2 + k ，厨， ( 2 6 6 ) 匕= 只：+ k r ? ( k l + c ；只口：+ c ；屹j ) ( 2 6 7 ) 综上所述，为了确保变压器安全运行避免变压器的频繁倒闸操 作，变压器的经济运行方式的优化不可能按负载的瞬时值。而是用稳 态计算式进行计算。 变压器经济运行方式的优化计算分别考虑有功功率损耗最小，无 功功率消耗最小和综合功率损耗最小的三种情况。如果用户以节约有 功电量为主，则应按有功功率经济运行进行优化：如果是为提高功率 太原理工大学硕士研究生学位论文 因数为主，则应按无功功率经济运行进行优化：如果两者兼顾或者以 降低系统线损为主，应按综合功率经济运行进行优化。 2 6 变压器问技术特- 眭分析 变压器的功率损耗和损耗率的负载特性曲线称为变压器技术特 性。 变压器技术特性优劣的判定是变压器经济运行的基础“”，其标准 是：在相同负载条件下，损耗小者为优，损耗大者为劣。在有些情况 下可以直观地区分变压器技术特性的优劣，但在有些情况下( 特别是 对容量不同的变压器) ，其技术特性的优劣需要经过判定公式计算后 才能确定。 26 1 容量相同双绕组变压器间技术特性优劣的判定 ( 1 ) 按有功功率损耗计算 若a ，b 为两台容量相同的变压器，我们可写出各台变压器有功 功率损耗的计算式 叱= = 只“妻) 2 ( 2 f 6 8 ) 峨= r e = + 岳) 2 6 9 ) 令峨= 必，对上式求解，可推出变压器a 和变压器b 按有功 功率经济运行的技术特性优劣判定的临界负载功率s 。，( 翩啊) s p = s ( 2 7 0 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 按无功功率消耗计算 同有功功率损耗计算，变压器a 和变压器b 的无功功率消耗的 计算式 蚬2既=q0一+岳)2 (2-71)蛾= q 棚= + ( 妻) 2 q m (2-72) 令g = 绋，可得变压器a 和变压器b 按无功功率经济运行的 技术特性优劣判定的临界负载功率口( k 删) s c 。= s ”糌= s ”：糕c z 一，s ， ( 3 ) 按综合功率损耗计算 同以上的分析，变压器a 和变压器b 的综合功率损耗计算式和临 界负载功率s 。：( 足瑚) 为 屹2 r “+ 2 2 只a + ( 妾) 2 ( 2 - 7 4 ) 屹2 只”+ 2 = 晶”+ ( 妾) 2 ( 2 - 7 5 ) s 1 2 2 s v ( 2 7 6 ) 根据式( 2 7 4 ) 和式( 2 7 5 ) 绘出变压器a ，b 的综合功率损耗 曲线图，判定变压器间技术特性的优劣。 图中两曲线的交点的横坐标就是临界负载功率s 。：，根据式 ( 2 7 6 ) ，变压器的运行方式可以有以下六种情况： 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 一巍】 当器嚣篙糕黠锄帅旷归。( + q 。) 一( + 如) 。 2 ”。 两条曲线没有交点，l 缶界负载功率s 。不存在。变压器a 的技术 特性优于变压器b 。 ( 2 ) 当瓦( p o a 瓦+ k q 菇q o a ) 而- ( p o 丽r t + k o q o b ) l 时，则趾 晶。 、，j p l u l ，性j ) ，) - ) ，o ( + 世口q 口) 一( + k 口如) 。“ 临界负载功率超过变压器的额定容量，因此使用昂：小的变压器 太原理工大学硕士研究生学位论文 运行好。 c s ，当。 善暮 要主囊专三渊 时，i 临界负载功( + q 。) 一( + 既) 率s z 存在。0 s z r 口+ 芷口q o 口 + k 口q “= + k 口q k 日时， s 。：= m 。两条曲线曲率完全相同，没有交点。变压器a 的技术 特性优于变压器b 。 ( 6 ) 当岛_ + k 口q o = 晶口+ k 口g o 日 p “七k q q “= p 船+ k q q x b 时， s ，：= 罟，两台变压器的技术特性完全相同，不存在优劣之别。 以上按综合功率损耗来判定变压器间技术特性的优劣。其判定方 法也完全适用于按有功功率损耗和无功功率消耗来判定变压器恻技 术特性的优劣。 奎堕里三查堂堡主堑塞生堂焦鲨苎 ( 3 )当 晶“ 只口 只a 蜀 r “= 岛 晶口 r 。及专笋 毒笋，解得s c z s 。时变压器a 已超载，只能用容量大的变压器b 运行。 当晶。= p o 。及专 = 等时，解得s 雎= 罟时，说明两台变压 当晶。= p o 。及笔笋= 等 时，解得s 雎= 吾时，说明两台变压 o mo m u 器技术特性完全相同，但由于s 。 s 。，所以应选择容量大的变 压器b 运行。 2 6 3 容量相同三绕组变压器间技术特性优劣的判定 前面说过，本文所讨论的三绕组变压器都是指三侧绕组容量相 等，即s l = s 2 = s 3 = s a ( 1 ) 按有功功率损耗计算 根据式( 2 5 7 ) 可写出三侧绕组容量相等的相同容量三绕组变压 器a 和b 的有功功率损耗的计算式 2 8 一疏一一蹁蹄 s 。，其中s 。为n 台变压器的 合成容量，在这种情况下，单组运行一定是运行a 组，当负载增加至 s 。时，则需切换至两组并列运行，如图虚线3 所示。 ( 3 ) a ，b 两种临界容量s s 。，这种情况下，当s s 。时，运行b 组。 此外，如果a 组与b 组的特性重合，则单组运行，投入a 组和b 组的效果是一样的。 ( 2 ) 不同台数并列运行变压器组合技术特性优劣的判定 1 单台与两台并列运行之间技术特性优劣的判定 设变配电所有两台变压器a 和b 。则当变压器单独运行和变压器 a ，b 并列运行( 在一定条件下投入变压器b 时) ，其综合功率损耗乞 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ) 当图3 - 3 ( a ) 中所示，j = 厂$ ) 与a = f ( s ) y g g 条曲线没 有交点时，也即变压器a 和变压器b 的临界负载功率s s 8 为虚根， 这种情况下，变压器a 明显优于变压器b ，只存在着变压器a 与变压 器a ，b 并列运行之间的经济运行方式。 2 ) 图3 3 ( b ) 中两条曲线= 厂( s ) 与刖乞= ，( s ) 相交于，。点， 变压器a 和变压器b 的临界负载功率s 蛊8 位于s 吉”和之间，这 种情况下也只存在着变压器a 与变压器a ，b 并列运行之间的经济运 行方式。 3 ) 图3 3 ( c ) 中厶= f ( s ) 与屹日= ，( s ) 两条曲线相交于，。点， 这样存在着变压器a ，变压器b 和变压器a ，b 的三种经济运行方式。 当0 s s 盘8 时，变压器a 运行经济，s 吉8 s s 占”时，变压器 b 运行经济，s 蛊” s 时，变压器a ，b 运行经济。 2 一种单台与两种两台并列运行之间技术特性优劣的判定 如果有三台变压器，已确定单台变压器a 为经济运行，但两台运 行却存在着变压器a 和变压器b ，变压器a 和变压器c 两种运行方式。 分别计算它们的临界负载功率，变压器a 和变压器a ，b 之间的临界 负载功率踮”，变压器a 和变压器a ，c 之间的i 临界负载功率s l * z - ”， 变压器a ，8 和变压器a ，c 之间的临界负载功率s 箸“。，综合考虑它 们的关系，共存在着以下三种情况： 1 ) 当变压器a ，b 和变压器a ，c 之间的临界容量s 嚣“。= j a 或 者s 笛“。= 0 ，t 蹬“。一。在这种情况下，如果运行变压器a ，b 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( a ) = ，( s ) 明、 ( c ) 图3 - 4 一种单台与两种两台并列运行临界负载功率 f i 9 3 - 4 t h ec r i t i c a ll o a d - l o s sc u r r e n to f p a r a l l e ! t r a n s f o r m e r s 4 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 优于变压器a ，c ，则仅存在着两种运行方式，即变压器a 与变压器a ， b 的运行。如图3 4 ( a ) 所示。 2 ) 当变压器a ，b 和变压器a ，c 之间的临界容量s 竺“。 s 。时，且s 省“。位于s 盘”和s 盘”之后，这时存 在着变压器a ，交压器a ，b 和变压器a ，c 三种经济运行方式：当 0 s s 盘”时，变压器a 运行经济，酲i ” s 5 时) ，这会直接影响到 并列变压器间负载的分配，负载分配的不同又会影响到并列变压器功 率损耗的变化。 如有n 台变压器并列运行，第m 台的负载分配系数的公式c 。如 下 午蕊1 焉 u 志 ( 3 3 7 ) c 。= 1 ( 3 3 8 ) = l ( 1 ) 相同台数并列变压器的经济运行方式 设有n 台变压器并列t 负载分配不等时，其功率损耗a p n 的计算 式为： 4 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 q 0 ( ) 既q 。 = lf r l ( s 。) 2 ( s 。) 2 ( 3 3 6 ) 综上所述，在分析计算变配电所的经济运行方式时，不仅要根 据变压器的技术参数和容量来选择变压器运行台扭! 吲j 贝| 珂鏊毽更诵 州瞒涩尴带璎坝每圆濑硐哺捌蹲趣选憾蔫倒出济秀：淄z 澜海诵婊 堪翟毒譬茹驾漂鬻盘堪薹蒜矬甄塑擎剖蟊剿鞘；醋霹薛鲤势圯址畿 飘醺蛆雏 行 台数选择的常规 计算式 s 。n - n + i = s n f 删毒 z j ， ( 3 ) 相同台数与不同台数并列变压器组合技术特性优劣的判定 为了全面分析变压器的并列经济运行方式，除了前面分析的相同 台数并列运行方式间的技术特性的优劣和不同台数并列运行方式间 技术特性的优劣，同时也要全面分析相同台数与不同台数变压器并列 运行方式间技术特性的优劣，下面以综合功率技术特性优劣为例加以 说明。 1 两种单台运行与一种两台并列运行之间技术特性优劣的判定 设变配电所有两台变压器a 和b ( r a 1 、p k 8 一p “ 时，这说明几+ 以 1 ，即直线4 处在直线l 的外侧，如图4 - 4 所 示。由于这种情况下已经有一台变压器的额定容量已过载，因此也不 存在共用变压器b 的可能性。 ( 2 ) 当公式 o 氍 p o8 时，式( 4 一1 4 ) 根号下的分式数值为o o ，说明直线4 处在直线1 外侧的 无穷远处，即已没有菇用变压器b 的可能性，只存在分列运行和共用 6 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 上式中的几和几的计算式分别为 ( 4 一1 6 ) ( 4 一1 7 ) 而当共用变压器a 时，变压器b 的负荷将转移给变压器a ，此 时有功功率损耗的计算式为： 为 式中卢。为 条件 算。 叱= 晶。+ 卢曩 ( 4 一1 8 ) 以= 等咆埚鲁 ( 4 _ 1 9 ) 将上式代入式( 4 1 8 ) 则共用变压器a 时，有功功率损耗的计算式 只= 晶。+ ( 以+ 卢。粤) 2 ( 4 2 0 ) u “ 令叱。= 叱求得变压器a 和b 分列运行与共用变压器a 的临界 如竺姆垫 。， 2 风半 由于变压器的容量不同，我们采用视在功率的表达式来分析计 令s 础= 船s m ，= 以s 。，并代入上式，可求得变压器a 一缈 一妒羔盎 一s s 曼 & 一 疗 疗 太原理工大学硕士研究生学位论文 压器b 的临界条件 sl = s + s 8 = ( 4 2 7 ) s ，共用变压器a ，b 临界负载有功功率 比较式( 4 2 7 ) 和( 2 7 9 ) 式，两式完全相同，所以第二章第六节中 关于容量不同的变压器技术特性判定的情况完全适用于共用变压器 a 还是共用变压器b 的判定。 综上所述，对分列运行负载波动较大，且容量不同的变压器。在 一定负载条件下，要采用共用运行方式时，首先应比较共用变压器a 和共用变压器b 技术特性的优劣，然后将比较出的技术特性优的变 压器共用运行和分列运行的经济性进行比较，最后确定是共用运行还 是分列运行，从而确定出最优的运行方式。 4 3 三绕组变压器分列运行 本节主要讨论的是在一个变电站里两台三绕组变压器的分列运 行方式，即两台三绕组变压器分列运行，共用变压器a ，共用变压器b 的三种运行方式。 分列运行三绕组变压器功率损耗计算，不仅与总的负载功率有 关，还与变压器间的负载分配及各台变压器绕组间的负载分配有关。 下面首先计论变压器间以及变压器的绕组间的负载分配系数“。 1 负载分配系数的计算 如图4 1 所示，设变压器a 与变压器b 分列运行时的实际工况负 载为s 2 “，足 和s 2 a ，量8 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 共用变压器a 和共用变压器b 的临界条件 对共用单台变压器的有功功率损耗计算式联立求解，可得有功和 无功的临界负载功率为 s ip = 1 。一砟，。+ 矗( 。一。) + 已( 。一砟。) f鼠一q 。 五。一五、。+ 已。一五。) + 岛( k ：。一_ ) ( 4 4 1 ) ( 4 4 2 ) s 。共用变压器a ，b 临界负载有功功率 s 。共用变压器a ，b 临界负载无功功率 变压器的分列经济运行主要取决于二台变压器技术特性及其负 载的变化规律，其优化计算的结果往往与习惯做法不一致。比如，总 负载较小时，可能分列运行合理，总负载较大时反而共用一台变压器 节能；小负载时不一定共用小容量变压器，而大负载时也不一定共用 一台大容量变压器。因此，运用科学的结论来改变人们的习惯做法， 节电潜力很大。 7 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第五章配电变压器经济运行研究 配电系统是电力系统中直接面向用户以分配电能为目的的系统。 配电系统主要由各种配电设备( 主要包括馈线、配电变压器、各种开 关等) 组成的配电网和配电网中的保护、测量装置以及通信、控制设 备构成，按一定的规则运行，以高质量的电能持续地满足电力用户需 求。就我国电力系统而言，配电网是指1 1 0 k v 以下的电网。在配电 网中，通常把1 1 0 k v 、3 5 k v 级称为高压配电网，l o k v 级称为中压 配电网，o ，4 k v 级称为低压配电网。 配电网的理论线损主要包括配电线路中导线的电能损耗、配电 变压器的铜损和铁损及其它( 如电容器) 损耗。在配电网的总电能损 耗中，变压器的电能损耗占绝大部分。大部分农村配电网理论损耗的 构成比例如下表所示。”。 表5 1农村配电理论损耗构成比例 t 曲5 - 1 p r o p o r c i o no f f u r a ld i s l r i b u t i o nl o s s 损耗种类 构成比例 总电能损耗 1 0 0 线路导线中的电能损耗 平均1 8 左右 变压器铜损 平均1 3 左右 变压器铁损 平均6 8 左右 其它( 如电容器。囊纠蠢。牲q h ；算坚 霎啊鬟i 妻 势意i ，! 烤阍角囊；薪珏油錾轭范瓤菇鞋陲 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 在我国，配电变压器为l o o 4 k v 双绕组三相变压器，绝大多数 情况下设计为三台以下运行，因此下面的薹篓髫薹篓疆鹑弱酢筠醛幽 般扮弛拜砸觚鲴。 毒ill 萋羹薹鏊鬟菇鬟豢 堑季善器浆臻疆酢数静鞠簿茹警矗烈掣羞堡翌理伊型；扎雾髫 堑羹囊麓薹薹鬟，器錾漪铡缮i 巷崭茕瓣觚孛匙鞫蚓；膨耐辩麴目 崭羹裂翱昔两螽讳n 妈晌；谆艋壤滔耐博匿藿s 己( r f l 。+ c 乞r r 2 。+ c l r 。，。) ( 4 3 6 ) 同双绕组变压器分列与共用的分析一样，利用式( 4 - 3 4 ) 和式 ( 4 3 5 ) 可以分别导出按有功功率损耗最小和按无功功率消耗最小时， 变压器a ，b 分列运行与共用单台变压器a 的临界负载功率为： 哎：j 瓦嗣瓦忑蠹i 琢i 砭柰皋甄万瓦瓦i 蓊i 巧丽 4 3 7 瓯2 j 瓦忑豸i 砭瑟j丽磊西芝知i 历刁露i 砭蕊 4 3 8 同理，变压器a ，b 分列运行与共用单台变压器b 的临界负载功 率为： 3 4 瓦忑甄i 再i 面忑万再i - u a 焉忑乒琢瓦i 蕊i 石函 o ， (4 3 9 ) 罐2 j 瓦忑甄j 巧i 刁獗i 瓦是每曩万磊瓦忑丽，j (4 - 4 0 ) 6 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 率可能对应有多个p 的情况，取平均值即可) ，然后采用曲线拟合“” ( 此处采用最小二乘法) ，得到校核后的有功功率损耗负载曲线 p = 厂( 卢) 。取= 0 可得空载损耗矗，取p = l 可得短路损耗 p ( = 氇p p q ( 4 ) 由q = q 。一q 2 ，得到q ，对照表( 对1 天中某一负 荷率可能对应有多个q 的情况，取平均值即可) ，然后采用曲线拟 合( 此处采用最小二乘法) ，得到q = ，( ) 曲线，同样由此曲线得 到空载励磁功率q 0 和额