（电气工程专业论文）220kv变电站变压器经济运行方式计算与效益分析.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 在电力系统能量损耗中，变压器的损耗占有相当大的比例，因此全面开展变压 器经济运行是降低电网损耗、节约能源、实现电力系统经济运行的重要环节。本文 首先介绍了变压器经济运行的相关理论；然后分别对双绕组变压器和三绕组变压器 在不同运行方式下如何经济运行进行了探讨，并以乌兰察布电业局两个2 2 0 k v 变电 站为实际算例，验证了变压器经济运行理论的正确性以及经济运行带来的良好效 益；最后，运用p o w e r b u i l d e r 9 0 编制了变压器经济运行辅助决策系统。 关键词：变压器，经济运行方式，综合功率损耗，效益分析 a b s t r a c t t h ee n e r g yl o s so ft r a n s f o r m e r si sg r e a ti np r o p o r t i o nt oa l lo fe n e r g yl o s si np o w e r s y s t e m ，a n dt h e r e b yi m p l e m e n t i n gt r a n s f o r m e r se c o n o m i co p e r a t i o np l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nd e c r e a s i n gp o w e rl o s s ，s a v i n ge n e r g ya n da c h i e v i n ge c o n o m i co p e r a t i o no fp o w e r s y s t e m t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e sr e l a t e dt h e o r i e so ft r a n s f o r m e r se c o n o m i co p e r a t i o n ， t h e n i n v e s t i g a t e s e c o n o m i c o p e r a t i n g m o d e so fd o u b l e w i n d i n g t r a n s f o r m e ra n d t h r e e w i n d i n gt r a n s f o r m e r ，a n dv e r i f i e sc o r r e c t n e s so ft h e s et h e o r i e sa n dg o o db e n e f i t w i t ht w o2 2 0 k vs u b s t a t i o no fw u l a n c h a b up o w e rc o m p a n y f i n a l l y ，c o m p i l i n ga s s i s t a n t d e c i s i o ns y s t e mo ft r a n s f o r m e r se c o n o m i co p e r a t i o nw i t hp o w e r b u i l d e r 9 0 w uy ux i a n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f a ix i n k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , e c o n o m i co p e r a t i n gm o d e s ，c o m p r e h e n s i v ep o w e r l o s s ， b e n e f i ta n a l y s i s 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文( ( 2 2 0 k v 变电站变压器经济运 行方式计算与效益分析，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：送堡重 e l期：_ 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 吴砂舌 如8 6 1 甲 导师签名： 日期： 弛坠6 、哕 华北电力大学工程硕十专业学位论文 1 1 选题背景和研究意义 第一章绪论 能源是社会发展和经济繁荣的动力，是人类赖以生存的物质基础。随着国民经济的 发展和人们生活水平的提高，能源资源的有限和能源资源的逐日消耗越来越被人们所关 注。中华人民共和国节约能源法中提出“节能是国家发展经济的一项长远战略方针 ， 因此节约能源具有更深远的历史意义。 电力是一种使用方便的优质二次能源，电力广泛应用在国计民生各个领域中，当今 世界“能源的发展是以电力为中心的 。电力工业既是重要能源生产部门，又是耗能大 户。电力系统中发、供、用电过程中，其自身的电能损耗是相当大的。1 9 9 7 年全国电力 系统的线损率为总发电量的8 7 3 ，是国际上线损率较高的国家之一i l j 。因此降低电力 系统的线损是节约能源的重要途径之一。 变压器是工业生产、人民生活中一种应用极为广泛的电气设备之一。一般来说，从 发电、供电一直到用电需要经过3 - - 5 次变压过程。根据国内外的统计数据，运行变压 器的容量通常是发电容量的4 - - - 7 倍，是运行电机容量的5 - - 8 倍，这就决定了变压器必 须是一个高效能的设备。变压器不仅总台数远远超过发电机的总台数，而且运行中的总 容量也远远超过发电机的总容量。变压器在变压和传递功率的过程中，自身要产生有功 功率损耗和无功功率损耗。由于变压器的总台数多、总容量大，在电力系统中的各种电 气设各( 包括发电机、变压器、电力线路、电动机等) 中，变压器总的电能损耗已约占发 电量的1 0 左右。变压器损耗约占电力系统线损的5 0 左右，而在农电系统中由于变压 器突出的特点是季节性很强、峰谷差大、负载率过低，全年轻载和空载运行时间较长， 因而其损耗占电能损耗的6 0 7 0 。这对于全国来说，意味着全年变压器总的经济损 耗为1 0 0 0 多亿k w h ，相当于一个较大电力系统的发电量。因此，设法降低变压器电能 损耗，已成为变压器制造厂商和发、供、用电部门共同关注的问题。 降低变压器电能损耗的主要途径首先是对高能耗变压器进行更新与改造、开发节能 变压器以降低变压器自身的总损耗，再者就是实行变压器的经济运行以提高变压器的运 行效率。前几年，经过全国上下的农村电网改造工程，供、用电部门已经基本上更换了 陈旧的高能耗变压器。但目前我国大部分供、用电单位的变压器仍在自然状态下运行， 没有采用经济运行方式。导致这一现象的原因不仅在于不正确的传统观念影响，也在于 不合理的变压器容量电价制度的制约。根据一些实例和多方面的科学分析，如全面开展 变压器经济运行，至少可以节约总用电量的1 以上【2 叫。全面推行变压器经济运行，不 用投资或只用少量投资，全国每年就可以节电1 0 0 多亿k w h 的电量。现在，全电网都 在提倡降低网损，提高输电效率，而变压器的损耗在电网中占有相当大的比例，所以对 华北电力大学工程硕士专业学位论文 变压器经济运行方式进行研究有着十分重要的意义。 近几年我国高能耗行业发展过于迅速，能源问题尤其是电力供应出现短缺局面，不 同程度的拉闸限电在全国二十多个省市卷土重来。为解决电力紧张的问题，除了国家加 大电源建设的速度外，搞好电力系统的经济运行也是及其重要的一项工作。而开展变压 器经济运行是实现电力系统经济运行的重要环节，是节约电能的个重要手段。因此开 展变压器经济运行的研究非常重要。 近几年，随着内蒙古地区工业的迅速发展以及国家产业结构的调整，乌兰察布地区 电网接入了许多高耗能企业，成为内蒙古电网负荷增长最快的地区。这些企业在带来经 济效益和带动地区经济发展的同时，使能源短缺问题更加突出。为解决电力紧张的问题， 除了加大电源建设的速度外，搞好电力系统的经济运行也是及其重要的一项工作。变压 器经济运行就是充分发挥变压器的效能，合理的选择运行方式，从而降低变压器用电损 耗。因此，变压器经济运行不用投资( 或者仅用很少的投资，但是很快就能收回) ，只 要加强供、用电科学管理，充分利用现有的设备条件，即可达到节电和提高功率因数的 目的。因此，在乌兰察布地区开展变压器经济运行研究有着非常重要的意义。 1 2 国内外研究现状 变压器经济运行是指在保证变压器安全运行和保证对用户供电量的基础上，使变压 器在电能损耗低的状态下运行。其具体含义是指在确保变压器安全运行、传输电量、满 足生产要求的基础上，充分利用现有设备，不增加( 或增加很少) 设备投资，通过择优 选取变压器的最佳运行方式、负载调整的优化、变压器运行位置的最佳组合以及改善变 压器运行条件等技术措施，达到最大限度地降低变压器的电能损耗和提高电源侧功率因 数的目的。变压器经济运行的实质就是技术经济允许条件下的变压器节电运行。 变压器之所以能够实现经济运行，是由于变压器容量、电压等级、铁芯、绕组材质、 设计和制造工艺等等不同，其技术特性存在着差异，有功损耗和无功损耗随着负载不同 而呈现非线性变化。因此在变压器运行方式之间就存在择优选取技术参数好的变压器和 最佳运行方式运行的问题。而当变压器运行方式已经固定时，存在着合理的调整负载， 使变压器在经济运行区间运行和使变压器负载经济分配的问题。 变压器经济运行基础理论是1 9 2 0 德国魏得曼教授提出的。1 9 3 4 年前苏联彼得洛夫 教授所著的变压器一书中给出两个计算式：一是变配电所中变压器容量相同、技术 参数相同的多台变压器并列运行时的台数选择；二是单台变压器的有功经济负载系数。 前苏联电工工业技术管理法规( 1 9 5 3 年版) 第7 0 1 条规定：对于每一发电厂或变电 所，应以负荷曲线为依据和使损失减少到最小为原则，规定出运行变压器的数目。装置 在城市电力网内的变压器，其投入运行的数目，应根据负荷曲线并考虑到最大降低变压 器内损耗，每一年确定两次。 我国水电部在1 9 7 2 年9 月2 3 日重新出版了1 5 种规程，其中变压器运行规程第二 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 章第五节变压器经济运行的第六条规定：发电厂或经常有值班人员的变电所，应按照负 荷情况规定使用变压器的数目。市内变配电变压器，应按照冬夏两季负荷曲线的情况， 分别规定使用数目，以便减少变压器电能的损失；第六十四条还规定：编制变压器停送 电计划时，为了减少一昼夜的操作次数，停用变压器的时间，一般不少于2 - 3 h 。此时 许可与变压器经济运行方式有一定的出入；可以相互调配负荷分列运行的变压器，也可 考虑经济负荷的分配，使一定期间内总的损失为最小。 日本在1 9 7 9 年制定了工厂合理使用能源的考核标准。该标准7 4 条规定企业电力损 失改进措施中有关变压器经济运行如下： ( 1 ) 调整变压器的工作台数，并合理分配负荷，以保证经济运行。 ( 2 ) 变压器的容量要与使用的电力相适应。 ( 3 ) 使变配电合理化，及时改变配电方式，缩短配电线路，选用合理配电电压， 减少配电损失。 从1 9 7 8 年以来，我国对变压器经济运行领域进行了理论和应用的研究，并取得了 进展。1 9 9 2 年5 月国家技术监督局发布了工矿企业电力变压器经济运行导则，这一 国家标准规范了用电单位电力变压器经济运行方式的选择、计算和管理。该导则规定： 装有备用变压器的用电单位，应优先选择功率损耗小的变压器投入运行；有多台变压器 并列运行的变电所，应按负载变化规律，选择最佳组合方式运行；在安全、经济、合理 的条件下，通过调整负载，提高负荷率，提高功率因数，使变压器在经济运行区的优选 运行段内工作；在安全操作允许条件下，邻近分别供电的变压器，轻负载时应选择共用 方式运行；在技术经济可行的条件下，采取调换、更新或者改造变压器等方法，使变压 器经济运行1 7 9 j 。 1 9 9 6 年美国电气制造商协会依据n e m a t p 1 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“能源支撑变压器计划。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， 在电力系统及其电力用户的要求下，在各级政府部门的重视下，中国的高效低耗变压器 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。 针对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。各地电力部门也非常重视变压器经济运行，加大了实 用化的研究力度，从而取得了一定的成果，如离线分析计算软件1 1 0 】、变压器经济投切自 动装置等1 1 1 1 5 j 。 变压器经济运行是一个系统工程，其研究内容是多方面的，例如：变压器无功功率 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 和综合功率的经济运行；变压器经济运行的动态计算；变压器技术特性的择优化；技术 参数不同的变压器经济运行；容量不同的变压器经济运行；相同台数并列变压器运行方 式间组合技术特性优劣的判定；分列运行变压器经济运行；配电变压器经济运行；变压 器经济运行区；提高负荷率实现变压器经济运行；削峰填谷实现变压器经济运行；变压 器间负载经济分配；变压器调整与经济运行；变压器运行位置的优化组合；变压器更新 于经济运行等1 1 6 五引。 虽然近些年来我国在很多地区推广变压器经济运行，但由于变压器的总台数多、总 容量大，各地区自动化水平不平衡已经习惯性的错误认识，从而普遍存在不同程度的变 压器低效运行，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 ) 凡是小容量变压器能承担的负载，就不用大容量的变压器运行。 ( 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，其结果不仅不节电，反而浪费。 ( 4 ) 错误地认为变压器的利用率越高，变压器损失的电能就越少。 ( 5 ) 实施变压器在线实时经济运行的手段较差，导致不能真正实现经济运行。特 别对于负载波动较大的变电站，靠值班人员或调度员人工监视、计算来实现经济运行往 往是不可能的，且效果也不明显。 ( 6 ) 尽管变压器经济投切装置在部分变电站中投入使用，但其不能有效地解决投 切时机的选取问题。同时增加了投资和检修与维护工作量。 1 3 本文的主要工作 在了解变压器经济运行的重要研究意义，综述变压器经济运行国内外研究现状的基 础上，本文主要作了以下几方面的工作： ( 1 ) 详尽描述变压器的基础理论以及变压器经济运行的基本理论，特别是变压器 的功率损耗计算、变压器经济负载系数和变压器经济运行区间等概念。 ( 2 ) 详细介绍了双绕组变压器在不同运行方式下的功率损耗、临界负载计算，并 以乌兰察布地区某2 2 0 k v 变电站为实际算例进行了双绕组变压器的经济运行方式选 择与效益分析。 ( 3 ) 对三绕组变压器单台独立运行、两台并列运行及三台特殊运行这三种典型 的运行方式进行了功率损耗、临界负载计算，并以乌兰察布地区某2 2 0 k v 变电站为 实例进行了三绕组变压器的经济运行方式选择与效益分析。 ( 4 ) 采用p o w e r b u i l d e r 9 0 语言开发了“2 2 0 k v 变电站变压器经济运行辅助决 策系统”，可以计算出不同运行方式下的临界负载，并根据负载的不同给出不同的 最佳经济运行方式，给变电站操作人员的变压器经济调度提供了直观、准确的辅助 决策支持。 4 华北电力大学工程硕十专业学位论文 第二章变压器经济运行基本理论 电力变压器从绕组数量上通常可分为双绕组变压器和三绕组变压器。本章分别 介绍了技术参数、三绕组变压器损耗计算、功率损耗的计算、经济负载系数、运行 区间的划分等变压器经济运行基本理论。 2 1 变压器基础理论 2 1 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。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1 2 4 1 。 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【2 5 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， 上世纪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，上世纪5 0 年代以前主要采用欧美技术， 上世纪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，上世纪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，上世纪8 0 年代，全国统一设计 的s 7 、s 9 系列变压器，比原有的变压器损耗来均下降1 3 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 个大进步。上世纪9 0 年代，沈阳变压器研究所在s 7 和老s 9 配电变压器基础上， 设计了新型节能配电变压器，其空载损耗比s 7 型号降低1 0 。 2 1 2 变压器的基本结构 电力变压器的基本构成部分有：铁心，绕组，绝缘套管，油箱及其它附件等。 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 其中铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身【2 酬。 电力变压器的铁心【2 7 】由磁导率很高的硅钢片制成。硅钢片有热轧和冷轧两种， 热轧硅钢片由于其磁性能差，因此电力变压器的铁心已不采用这种材料。冷轧硅钢 片又分为无取向和取向两种，其中取向冷轧硅钢片有明显的方向性，即沿着轧制方 向的磁性能好，因此目前电力变压器均采用冷轧取向硅钢片。 绕组【2 8 】是由截面为圆形，扁形的钢，铝导线绕制而成，绕组的主要形式有层式 和饼式两种形式，层式绕组的线匝沿其轴向依次排列，饼式绕组的线匝在幅向形成 线饼后，再沿轴向排列。 按变压器铁心和绕组的配置来分类，可分为心式和壳式两种。心式结构的特点 是绕组露出外侧，而铁心在内侧，从绕组绝缘上考虑，这种结构适用于高电压，壳 式结构的特点是在铁心内侧安放绕组，从外侧看得见铁心，这种结构适用于低电压 大电流的场合。 2 1 3 变压器的工作原理 如图2 - i 所示的是变压器的原理图【2 9 , 3 0 】，为了便于分析，我们将高压绕组和低 压绕组分别画在两边。与电源相联的称为原绕组( 或初级绕组、一次绕组) ，与负载 相联的称为副绕组( 或次级绕组、二次绕组) 。原副绕组的匝数分别暇和。两绕组 之间只有磁的耦合没有电的联系。 z 图2 1 变压器的工作原理图 当绕组1 接上交变电压u 。时，则产生交变电流，根据电感生磁，磁感生电的 电磁感应原理，将在铁心中激励与电源电压频率相同的交变的磁通，交变磁通声 在绕组1 和绕组2 中将产生同频率的感应电势e 。和e ：，在如图2 - 1 所示的正方向下， 由电势感应定律可知 e i ；一譬 e；一职塑2 一 d f 则鱼。；，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 e ，p “ 接负载，便有交流电能输出，从而实现了不同电压等级电能的传递。 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 。2 变压器技术参数 变压器技术参数【3 1 1 是表征变压器在供电过程中自身损耗的性能，主要包括有功 功率损耗和无功功率损耗。变压器常用的技术参数有额定容量s 、空载电流，o 、空 载损耗r 、短路电压u 。、短路损耗最。三绕组变压器空载电流，o 和空载损耗r 的 物理概念和计算方法与双绕组变压器相同，但三绕组间的短路电压和短路损耗需要 换算成各侧绕组的短路损耗和各侧绕组的额定负载漏磁功率后，方能进行三绕组变 压器的有功功率损耗和无功功率损耗的计算。 2 2 1 空载电流 空载电流的作用是在变压器空载运行时建立起主磁通，因此空载电流又称励磁 电流。当变压器负载侧开路，在电源侧加额定电压时，原边绕组便有电流，。流过， 这个电流称为变压器的空载电流。 ，。；卫1 0 0 ( 2 1 ) 、l n 式中i o 为变压器的空载电流百分值；i 。为变压器空载电流( a ) ；i = 告为变 j u ” 压器额定电流( a ) ，s 为变压器的额定容量( k v a ) ，u 为变压器的额定电压( k v ) 。 2 2 2 空载损耗 空载损耗只是在变压器接入额定电压条件下，铁芯内由励磁电流引起磁通周期 性变化时产生的损耗，也称铁芯损耗。铁损包括基本铁损和附加铁损。基本铁损是 变压器铁芯中的磁滞损耗足和涡流损耗只。附加铁耗只包括铁芯叠片间由于绝缘部 分引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中( 夹板、螺钉等处) 引起的涡流损耗 及高压变压器中的介质损耗等。 2 2 3 短路电压 变压器的短路电压是指在当二次绕组短路时，在一次绕组施加额定频率的低电 压，当二次绕组通过额定电流时，一次绕组所施加的电压称为变压器的短路电压玑， 又称阻抗电压。 一般情况下阻抗电压玑都以对额定电压比的百分值u 。表示，通称短路阻抗。 r ， u 。：= 卫1 0 0 ( 2 2 ) 4 u n 式中巩为变压器的短路电压百分值；以为变压器的短路电压( k v ) ；u v 为变压 器的额定电压( k v ) 。 对于三绕组变压器，其短路电压共有三个值。当变压器的二次侧绕组短路状态 下，使该绕组达到额定电流时，在一次电源侧施加的电压为短路电压以。：；当变压 7 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 器的三次侧绕组短路状态下，使该绕组达到额定电流时，在一次电源侧施加的电压 为短路电压u k ，；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) 施加的电压为短路电压u 。三绕组变压器出厂铭牌 所标定的短路电压值是用百分数表示的u s 。：、u s ，、u s 。 2 2 4 短路损耗 短路损耗罡又称为额定负载损耗。当变压器在额定负载运行时一次、二次绕组 流过额定电流，此时绕组中所产生的损耗称为额定负载损耗( 变压器铭牌上为负载 损耗) 。额定负载损耗包括基本铜损和附加铜损两部分。 对于三绕组变压器，其短路损耗共有三个值。当变压器二次负载侧在短路状态 下，使该侧绕组达到额定电流时，在一次侧绕组和二次侧绕组所产生的总功率损耗 为短路损耗最，：；当变压器三次负载侧在短路状态下，使该侧绕组达到额定电流时， 在一次侧绕组和三次侧绕组所产生的总功率损耗为短路损耗州当变压器三次负 载侧( 或二次侧) 在短路状态下，使额定容量小的绕组( 二次侧或三次侧) 达到额 定电流时，在二次侧和三次侧所产生的总功率损耗为短路损耗冠，。 2 2 5 无功损耗 在上述四个变压器技术参数中，空载电流厶及空载损耗r 主要反映铁芯的特 性，是由空载试验测得的。当变压器二次侧开路、次侧加上额定电压时，在一次 侧所测得的电流值即为空载电流厶，在一次侧测得的有功功率值即为空载损耗昂。 短路电压以和短路损耗丑主要反映一次、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。当变压器二次侧短路、一次侧加上电压，使一次、二次侧绕 组电流达到额定值时，此时测得的电源侧电压值即为短路电压玑，测得的有功功率 即为短路损耗丑。昂与卑主要反映变压器的有功功率损耗，而厶与玩则反映变压器 的无功功率损耗，但要进行换算，其过程如下。 变压器在空载实验时，电源侧的视在功率s o ( k v a l 为 s oi = 矗l pnt 酉l o s r ( 2 - 3 ) 变压器在空载实验时，电源侧的励磁功率( 无功功率) a o ( k v a r ) 为 q o 。一e o ： ( 2 - 4 ) 变压器在短路试验时，电源侧的视在功率s k ( k v a ) 为 s k = 西u k m 警( 2 - 5 ) 变压器在额定负载时所消耗的漏磁功率( 无功功率) q ( k v a r ) 为 姨= 一p 2 ( 2 - 6 ) 在进行变压器经济运行的分析和计算时，为了简化计算，常近似认为 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 q o 一氐= 等 ( 2 7 ) q 吨= 警 ( 2 - 8 ) 对于三绕组变压器【3 2 1 ，根据变压器铭牌上所标定的三个短路e g 压, i ，可计算出 三个额定负载漏磁功率q 。：、鲛。，、q 。 ( 1 ) 当三侧绕组g - 量相等或三侧绕组容量不等，但三个短路电压值是按一次 侧绕组额定容量标定的，则三个额定负载漏磁功率q ，：、q 。，、q 分别为： q k l 2 甄。警 ( 2 - 9 ) q k 2 3 = 警 ( 2 ) 当三侧绕组g - 量不等，且三个短路电压值是按负载侧绕组额定容量标定， 此时三个额定负载漏磁功率g 。：、q ，、g ：，分别为： q k l 2 = 警 a 警 q k 2 3 = 警 或g 乃= 警 式中的q 选取s ：、s ，中小者进行计算。 23 = 绻幺日弯乐器塥舞计笪 在分析计算三绕组变压器经济运行时，必须把变压器的三个短路损耗参数丑。：、 ，、最：。换成各侧绕组额定容量下的短路损耗丑。、足：、丑。 三绕组变压器按三个绕组容量比的不同有三种不同类型。第1 种为 1 0 0 1 0 0 1 0 0 ，即三个绕组的容量都等于变压器额定容量：第1 1 种为1 0 0 1 0 0 5 0 ，即 第三绕组的容量仅为变压器额定容量的5 0 ；第1 1 1 种为1 0 0 5 0 1 0 0 ，即第二绕组的 容量仅为变压器额定容量的5 0 。 如该变压器属第1 种类型，可由提供的短路损耗丑，：、只。，、丑直接按下式求 取各绕组的短路损耗 丑，= ( 最。：+ 丑。，一只：，) 2 丑：= ( e 1 2 + 丑2 3 一只。，) 2 ( 2 1 1 ) 只3 = ( 最2 3 + 1 3 一最1 2 ) 2 如该变压器属第1 i 、第1 1 1 种类型，则制造厂提供的短路损耗数据是一对绕组中 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 容量较小的一方达到它本身的额定电流，即，2 时的值。这时，应首先将各绕组间 的短路损耗数据归算为额定电流下的值，再运用上列公式求取各绕组的短路损耗。 例如，对1 0 0 5 0 1 0 0 类型变压器，制造厂提供的短路损耗硝：、都是第二绕组中 流过它本身的额定电流，即二分之一变压器额定电流时测得的数据。因此，应首先 将它们归算到对应于变压器的额定电流 e ，：= 硝：( ) 2 = 4 硝： 1 仙 ( 2 1 2 ) 丑为= 吃熙) 2 = 4 吃 n z 然后再按式( 2 1 1 ) 计算。 同理，在分析计算三绕组变压器无功功率经济运行时，必须把变压器的三个短 路电压的参数q 。：、q 。，、q 换算成各侧绕组额定状态下的漏磁功率致。、g ：、g ， 其计算过程相同于短路损耗只1 、最：、卑，的计算过程。 2 。4 变压器的功率损耗 2 4 1 有功功率损耗 变压器在传输功率的过程中其自身要产生有功功率损耗( 即空载损耗与负载损 耗的总和) 。 双绕组变压器有功功率损耗尸为： a p = 咒+ 卢2 最 ( 2 1 3 ) 式中卢为负载系数，卢；s ( s 为变压器实际负荷，为变压器额定容量) ；蜀为 空载有功损耗；只为短路有功损耗。 三绕组变压器有功功率损耗a p 为： a p = 昂+ 所最1 + 彰最2 + 厨最3 ( 2 1 4 ) 式中屈= 墨为各侧绕组的负载系数，其中i 。1 , 2 ，3 。 2 4 2 无功功率损耗 由于变压器的变压过程是借助于电磁感应完成的，因此变压器是一个感性的无 功负载。在变压器传输功率的过程中，变压器自身的无功功率消耗远大于有功功率 损耗。因此在分析计算变压器经济运行时，不仅要考虑有功功率损耗最小，同时也 应考虑到无功消耗最小。在变压器经济运行时，无功电量的节约远大于有功电量的 节约。所以变压器经济运行不仅能节电，还能提高变压器电源侧的功率因数。 双绕组变压器无功功率损耗q 为： a = a o + 2 鲛 ( 2 1 5 ) 式中q 0 为空载无功损耗；g 为短路无功损耗。 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 三绕组变压器无功功率损耗a q 为： a q = a o + 卢? q 。+ 卢2 2 q 2 + 芦；q k 3 ( 2 1 6 ) 2 4 3 综合功率损耗 综合功率损耗【3 3 , 3 4 】是指变压器有功功率损耗和因其消耗无功功率使电网增加 的有功功率损耗之和。 综合功率损耗也是有功功率损耗，它的提出是具有系统性的。变压器综合功率 经济运行是立足于电力系统总体最佳节电法，是既考虑有功电量节约，又考虑无功 电量节约的综合最佳；是既考虑用电单位的节电，又考虑供电网损降低的系统最佳。 双绕组变压器综合功率损耗妲为： 必t p + 杨q = + 2 吃一( p o + & q o ) + 2 ( 最+ 磁q ) ( 2 1 7 ) 式中昂：为空载综合损耗；最：为负载综合损耗；为无功经济当量( k w k v a r ) ，是 指变压器每减少l k v a r 无功功率消耗时，引起连接系统有功功率损耗下降值，所以 值的大小和变压器在系统中的位置直接相关f 3 5 1 。可按变压器受电位置的变压次数及 功率因数查表2 1 ，取得值。 表2 - 1 无功经济当量表 变压器受电位置k q 发电厂母线直配o 0 2 0 0 4 二次变压o 0 5 0 0 7 三次变压0 0 8 o 1 0 当功率因数已补偿到0 9 及以上时0 0 2 0 0 4 三绕组变压器综合功率损耗【3 6 l 妲为： 迎= 咒z + 群屹。+ 膨吃2 + 硝吃3 ( 2 1 8 ) 由于开展变压器经济运行，变压器的有功功率损耗和无功功率消耗都要下降， 变压器无功功率消耗降低要引起变压器连接系统的电网有功功率损耗的降低，因此 用无功当量来计算变压器无功功率消耗引起系统电网有功功率损耗的降低值，从 而得出变压器经济运行综合功率节约值，由于综合功率的节约是立足于系统最佳， 因此推荐以综合功率损耗最小为最佳。 2 5 变压器的经济负载系数 变压器在运行中，其自身的有功功率损耗和无功功率消耗都是随着负载的变化 而发生非线性变化。在其非线性曲线中，始终存在着一个最低点，称有功损耗率最 低点的负载系数为有功经济负载系数；称无功消耗率最低点的负载系数为无功经济 负载系数。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 三绕组变压器在二次与三次侧绕组的负载任意分配的情况下，所求变压器有功 损耗率最低( 效率最高) 时，电源侧绕组的负载系数称为有功经济负载系数；变压 器无功损耗率最低( 电源侧功率因数最高) 时，电源侧绕组的负载系数称为无功经 济负载系数；而变压器综合功率损失率最低时，电源侧绕组的负载系数称为综合经 济系数。 三绕组变压器不仅存在着经济负载系数，还存在着最佳经济负载系数。最佳经 济负载系数是经济负载系数中的最大值，最佳经济负载系数所对应的最低损耗率是 最低损耗率中的最低值。当变压器的二次侧与三次侧绕组在负载经济分配状态下， 寻求变压器有功损耗率最低( 效率最高) 时的各侧绕组的负载系数，称为有功最佳 经济负载系数，变压器无功消耗率最低时，各侧绕组负载系数称为无功最佳经济负 载系数，变压器综合功率损耗率最低时各侧绕组的负载系数称为综合最佳经济负载 系数。 2 6 变压器的运行区间划分 2 6 1 变压器运行区间 国家标准g b t 1 3 4 6 2 9 2 提出了变压器经济运行区的概念，并给出了按综合功 率确定变压器经济运行区的方法。g b t 1 3 4 6 2 9 2 对变压器经济运行区确定的原则 是：变压器在额定负载条件下的运行应属于经济运行区。因此，经济运行区的上限 值定为卢= 1 ；经济运行区的下限值所对应的损耗率应与额定负载损耗率相等。在经 济运行区间运行时，变压器的损耗率要低于额定负载损耗率，即变压器在经济运行 区间的运行效率要高于额定负载条件下的运行效率。 2 6 2 变压器最佳运行区 变压器最佳运行区的实质是变压器最低损耗率运行区或高效运行区。因此它是 以最低损耗率为基础( 即以经济负载系数为基础) 来确定的负载运行区间。 2 6 3 变压器运行区间划分 根据前面变压器经济运行区和变压器最佳运行区的确定，可将变压器的运行区 间划分为最佳运行区、经济运行区、最劣运行区。对于三绕组变压器，由于其经济 负载系数是随着两个负载侧绕组负载分配的不同而发生变化，因此三绕组变压器运 行区划分必须根据己知的两个负载侧的负载分配系数来确定。 1 2 华北电力大学丁程硕士专业学位论文 第三章双绕组变压器经济运行方式选择与效益分析 本章从单台变压器的独立运行、一用一备变压器的经济运行、两台同容量变压 器的经济运行、两台不同容量变压器的经济运行、多台同容量变压器的经济运行等 方面，分别讨论了双绕组变压器的经济运行，最后以内蒙古乌兰察布地区某2 2 0 k v 变电站为例进行变压器的经济运行方式选择与效益分析。 3 1 双绕组变压器的损耗与效率 3 1 1 双绕组变压器的损耗 双绕组变压器的损耗包括空载损耗和负载损耗。而双绕组变压器的综合功率损 耗【3 7 】是指变压器运行中的有功功率损耗和因其消耗无功功率使电网增加的有功功 率损耗之和。其表达式为： 叱= p o z + 卢2 屹 ( 3 - 1 ) 式中 e o z 空载综合损耗，k w ，磊z ；蜀+ 砭q o 屹额定负载综合损耗，k w ，吃= 最+ & g 卢负载率，卢；s s ，s 为变压器负载容量；s 为变压器额定容量 昂变压器的空载有功损耗，k w 罡变压器的负载有功损耗，k w q o 变压器的空载无功损耗，k v a r ，a o = 1 i o 面s - s q 七一变压器的负载无功损耗，k v a kf ，o k = 警 厶变压器的空载电流，通常用百分数厶表示 u 。变压器的短路电压，通常用百分数玑表示 翰无功经济当量，k w k v a r ，通常取0 0 1k w k v a r 3 1 2 双绕组变压器的效率 双绕组变压器的效率r 是指变压器输出的有功功率与输入的有功功率的比值。 其表达式为： 堙：墼苎堕_ x 1 0 0 ( 3 2 ) s n c o s 巾2 + r + 。p k 式中c o s 办为负载功率因数。 由上式可知，当负载率卢为定值时，效率，7 与咒、只有关，晶、只越小，效率 卵越高。因此，为了提高变压器效率，应该选用昂、只小的优质节能型变压器。而 对于已经选定的变压器，由于昂、为定值，效率叩与负载率p 、负载功率因数c o s 妒2 1 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 有关。如果无功补偿及时，变压器的功率因数c o s 蓼) 2 基本不变，此时变压器的效率r 随变化。 令d r 邮= 0 可得最佳负载系数以为： 尾= 4 p o p , ( 3 - 3 ) 即当变压器的负载损耗等于空载损耗时，变压器效率最高。 对于高电压、大容量的电力变压器，还需要考虑此变压器的无功损耗即考虑综 合功率损耗。此时变压器的最佳负载系数凡为： 凡一, ( p o + 磁0 0 ) ( 最+ q ) ( 3 - 4 ) 3 2 双绕组变压器经济运行方式的选择 3 2 1 单台双绕组变压器的独立运行 由于变压器已经选定，p o 、丑不变，变压器的运行效率只与负载率有关，因 此在实际运行中，只能靠合理调整负载来提高效率，使得变压器尽量运行在最佳负 载系数附近。 3 2 2 一用一备双绕组变压器的经济运行 对于容量相同的两台双绕组变压器【3 引，随机选择其中一台运行，另台备用即 可。而对于容量不同的两台双绕组变压器则应该按负载选取，选择负载率高的变压 器运行，负载率低的变压器备用。具体的做法是在相同负载情况下，选择自身损耗 小的变压器运行，而自身损耗大的变压器备用。 假设有a 、b 两台双绕组变压器，且变压器a 的自身损耗小。则变压器a 、b 的综合损耗分别为： 屹= 只o z + 岱。) 2 ， 峨z | p b o z + 岱is b n 丫& 呓 式中s 为负载容量；。z 为变压器a 的空载综合损耗，为变压器a 的负载 综合损耗， 为变压器a 的额定容量；弓。z 为变压器b 的空载综合损耗，为 变压器b 的负载综合损耗，s r 为变压器b 的额定容量。 令叱：= 峨：可得变压器a 单独运行切换为变压器b 单独运行的临界负载为： ( 3 6 ) 因此，当s s 刍曰时，选用变 压器b 单独运行更经济。 3 2 3 两台同容量双绕组变压器的经济运行 在满足负载要求( 即单台变压器就能带动所有负载) 的情况下，两台同容量的 1 4 华北电力大学工程硕+ 专业学位论文 双绕组变压器可以选择单独运行方式，也可以选择并列运行方式【3 9 4 0 1 。 假设两台双绕组变压器的短路阻抗接近，并列运行时的综合功率损耗为： = f 么o z + ( 5 2 s ) 2 f i 眦 ( 3 - 7 ) 式中。z 变压器a 、b 的空载综合损耗，k w ， f 么o z = ( 只o + 最o ) + k q ( q - o + q 口o ) 只腿变压器a 、b 的额定负载综合损耗，k w ， 只且珏= ( 尸啦+ 只赡) + j 乇( q 么+ q k ) 令妒抛= a p ，则临界负载z 为 s l z = 2 s b 。z ( 3 尸北z 一妣) ( 3 8 ) 若4 p s 。z 时，两台变压器并列运行更经济。 若4 p s 。z 3 一，负载s 玩圮一，则变压器a 满载后再投入变压器b 较经济。 由于同容量的变压器参数可能并不一样，因此需要分析计算后才能确定由哪台 变压器单独运行。 设有同容量的变压器a 、b ，在相同负载下，变压器a 、b 单独运行的综合损耗 为： 忆只。z + 2 ( 3 9 ) 必z = 尼o z + 卢2 令刖么= 蜴z 可得临界负载率为 卢之= ( 只。z 一名。z ) ( f - z j _ 垃) ( 3 - 1 0 ) ( 1 ) 当( 只o z 只o z ) ( 一) o 时，若只o z ，也就是说空载综合损耗e o z 小则负载综合损耗屹也小，反之亦然。因 此此时应该选用空载综合损耗只，小的双绕组变压器独立运行更经济。 ( 2 ) 当( 只。z b 。z ) ( 一) = 0 时，两台双绕组变压器的参数完全相同，独 立运行时可以任意选用。 ( 3 ) 当0 ( 艺。z 一弓。z ) ( 一) 1 时，在不超负载的情况下，选用空载综合损 耗只：小的双绕组变压器更经济。 3 2 4 两台不同容量双绕组变压器的经济运行 在相同负载条件下，不同容量的双绕组变压器的经济运行不但与运行方式有 关，还与变压器的负载分配系数有关，而负载分配系数与变压器的短路阻抗有关。 设两台容量不同的双绕组变压器a 、b ，并假设变压器a 的容量小于变压器b 的容量。其负载分配系数分别为： 1 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 c 。 坠! 匕丝 4 s a n u 舭+ s b m u 瞰 ( 3 1 1 ) c 。： 兰型! 竺丝丝 s a n | u4 j c + s b n | ub k 变压器a 、b 并列运行时的综合功率损耗为 = ( 只o z + 最。z ) + ( c _ 5 s 川) 2 j 乞+ ( c o s s 丑) 2 f 如 ( 3 1 2 ) ( 1 ) 令叱z = 峨z ，可得变压器a 独立运行切换为变压器b 独立运行的临界 负载为： s 刍口；( 只。z 一咒。z ) ( f k 杞i s g , , 一f i 垃s 三) ( 3 1 3 ) (