（电力系统及其自动化专业论文）输配电网变压器经济运行方法的研究.pdf

at h e s i si np o w e r s y s t e ma n da u t o m a t i o n r e s e a r c ho ne c o n o m i co p e r a t i o no f lr a n s l o r m e r si nlr a n s m i s s l o na n c iu i s t r i d u t l o n ，一nnr n11 l j g r i d s b ys h e n gk e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gh u a g u a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 礅彳冲 1 日 期：p - 7 牛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 弧秒 聊签名：秒 签字日期：门秒9 7 厂 孔 竣 名 p 、 签 神 者 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 ， ， 东北大学硕士学位论文 摘要 输配电网变压器经济运行方法的研究 摘要 社会经济的发展导致对能源需求不断增长，能源资源的有限与能源需求的增长之间 的矛盾日渐凸显，并越来越引起人们的关注。我国是能源资源大国，同时也是能源短缺 大国。我国的能源利用率远落后于美国、日本等发达国家水平，甚至比巴西、印度等一 些发展中国家也要低。 电力作为一种使用方便的优质二次能源，广泛应用于国计民生的各个领域。电力工 业既是重要的能源生产部门，同时还是耗能大户。从发电到供电，一直到用电的过程总 的电能消耗约占发电量的2 8 3 3 。具有巨大的可挖掘的节能潜力。电力系统中，变压 器消耗的电能约占到电力系统损耗的3 0 左右，即占发电量的1 0 左右。 降低变压器电能损耗的主要途径除了可以对高能耗变压器进行更新与改造、开发节 能变压器外，还可以实行变压器的经济运行以提高变压器的运行效率。变压器经济运行 充分利用现有设备，基本上不用增加投资或只需增加少量投资。因此，全面开展变压器 经济运行对降低企业成本、增加企业效益具有重要的意义。 文中首先介绍了变压器的基本理论、变压器功率损耗的计算方法以及变压器的负荷 功率损耗特性，重点介绍了两台双绕组变压器经济运行方式的判定方法，并给出了以 综合功率损耗为目标的变压器经济运行算法。本文以铁岭电业局为应用对象，并具体根 据调兵山一次变的数据针对变压器优化运行方式问题进行了具体的分析计算。 本文提出了基于潮流计算的单时段法变压器经济运行方式的判定，并提出了变压器 在各种运行方式下的通用计算方案。在此基础上，进一步给出了以系统负荷预测结果为 前提的多时段法变压器经济运行方式的判定，并给出了求解过程。随之对两种方法进行 了对比，通过对不同负荷条件下两种方法计算结果的分析，证明两种方法各有优势，应 针对不同的负荷情况选用不同的计算方法，计算的结果也验证了这种这种情况。 本文通过对现有区图法的改进，提出了基于电压、功率因数和负载的三维区图法， 并将其运用于变压器经济运行方式的判定，并针对调兵山一次变数据对三维区图法的应 用进行了仿真分析。 关键词：变压器；经济运行；时段法；潮流计算；负荷平滑；区图法 - i i ， n - 矗 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ne c o n o m i co p e r a t i o no ft r a n s f o r m e r si n t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o ng r i d s a bs t r a c t t h ed e m a n df o re n e r g yi s g r e a t l yi n c r e a s i n g 晰t l l t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ， f o l l o w i n gb yt h ea g g r a v a t i o no fc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h el i m i t e de n e r g yr e s o u r c e sa n d e n e r g yd e m a n d ，w h i c ha t t r a c t sm o r ea n dm o r ec o n c e m c h i n ap o s s e s sr i c he n e r g yr e s o u r c e s ， h o w e v e r , e n e r g ye f f i c i e n c yi sf a rb e h i n dt h eu n i t e ds t a t e s ，j a p a na n do t h e rd e v e l o p e d c o u n t r i e s ，a n de v e nl e s st h a nb r a z i l ，i n d i aa n do t h e rd e v e l o p i n gc o u n t r i e s a sa ne a s y - t o u s e m g h - q u a l i t ys e c o n d a r ye n e r g y p o w e r i sw i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a so fp e o p l e sl i v e l i h o o d e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi sn o to n l ya l li m p o r t a n te n e r g yp r o d u c t i o ns e c t o r ，b u ta l s o e n e r g y h u n g r y t h et o t a le l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o no fe l e c t r i c a le n e r g yg e n e r a t i n gc a p a c i t y a c c o u n t sf o ra b o u t2 8 3 3 a c c o r d i n gt ot h el i t e r a t u r ef r o mp o w e rg e n e r a t i o nt ou s e ，t h e r e f o r e ， i th a st r e m e n d o u sp o t e n t i a lt ot a pt h ee n e r g y s a v i n g t r a n s f o r m e ri so n eo ft h em a i ne q u i p m e n t si np o w e rs y s t e m ，a n dc a nc o n s u m e3 0 o f p o w e rs y s t e ml o s s ，r e p r e s e n t i n ga b o u t10 o fg e n e r a t e de n e r g y t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n t t oi n v e s t i g a t et h em e t h o dt or e d u c et h el o s so ft h et r a n s f o r m e ri no r d e rt os a v ee n e r g y t h e m a i nw a y st or e d u c ep o w e rl o s so ft r a n s f o r m a t i o ni n c l u d eu p d a t i n g 、丽t hh i g he n e r g y c o n s u m p t i o na n dt r a n s f o r m a t i o na n dd e v e l o p i n ge n e r g y s a v i n gt r a n s f o r m e r ，a n dt h ee c o n o m i c o p e r a t i o no ft r a n s f o r m e r c a na l s ob e i m p l e m e n t e d t o i m p r o v eo p e r a t i n ge f f i c i e n c y t r a n s f o r m e r s f u l lu s eo ft h ee x i s t i n ge q u i p m e n ta n dd on o th a v et oi n c r e a s ei n v e s t m e n to rj u s t as l i g h ti n c r e a s ei ni n v e s t m e n ta r et h ei m p o r t a n ta d v a n t a g e si ne c o n o m i co p e r a t i o no f t r a n s f o r m e r t h e r e f o r e ， i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rr e d u c i n gc o s t sa n di n c r e a s i n g e f f e c t i v e n e s sf o rc a r i n go u te c o n o m i co p e r a t i o no ft r a n s f o r m e r t h em a i nw o r k so ft h e s i s a le p r e s e n ta sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c i n gt h eb a s i ct h e o r yo ft h et r a n s f o r m e r ，t h em e t h o df o rc a l c u l a t i n gp o w e rl o s sa n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o a d - p o w e rl o s so ft r a n s f o r m e r , f o c u s i n go nd e t e r m i n i n gt h em o d eo f e c o n o m i co p e r a t i o ni nt w ot w o - w i n d i n gt r a n s f o r m e ra n dt h ea l g o r i t h mo fe c o n o m i co p e r a t i o n o ft r a n s f o r m e rf o rr e d u c i n gt h ei n t e g r a t e dp o w e rl o s sh a sa l s ob e e ng i v e n 一i i l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 2 ) o p t i m i z i n gt h eo p e r a t i o nm o d eo ft r a n s f o r m e rb a s e do i lt h ed a t ao fd i a o b i n g s h a n ，a n d b e i n ga p p l i e di nt i e l i n gp o w e rs u p p l yb u r e a u ( 3 ) t h em e t h o dt od e t e r m i n et h em o d eo fas i n g l et r a n s f o r m e re c o n o m i co p e r a t i o nh o u r sh a s b e e np r o p o s e da c c o r d i n gt of l o wc a l c u l a t i o n ，b a s e do nw h i c h ，m e t h o do fm u l t i t i m e ， 心。 e c o n o m i co p e r a t i o nm o d eo ft h et r a n s f o r m e rt oh a sb e e nd e t e r m i n e da n dt h es o l u t i o np r o c e s s t h a sa l s ob e e ng i v e n t h ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t si nt w od i f f e r e n tm e t h o db yd i f f e r e n tl o a d c o n d i t i o n sp r o v et h a tb o t l lm e t h o d sh a v et h e i ro w na d v a n t a g e sa n ds h o u l db ec h o s e nf o r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ec a l c u l a t e dr e s u l t s ( 4 ) t h r e e d i m e n s i o n a lz o n ed i a g r a mh a sb e e np r o p o s e dw h i c hi sb a s e do nv o l t a g e ，p o w e r f a c t o ra n dl o a dt h r o u g hi m p r o v i n gt h ee x i s t i n gz o n ed i a g r a m t h i sm e t h o dh a sb e e na p p l i e d t od e t e r m i n et h ew a yo ft r a n s f o r m e re c o n o m i co p e r a t i o n s i m u l a t i o na n a l y s i sw a sc a r r i e d o u tt h r o u g he m p l o y i n gt h ed a t ao fd i a o b i n g s h a 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 o n ；t i m ec o n t r o l ；p o w e r - f l o wc a l c u l a t i o n ；l o a d s m o o t h i n g ；z o n ed i a g r a m i v 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景l 1 2 国内外研究现状3 1 3 存在的问题。3 1 4 本文的主要工作5 第2 章双绕组变压器基本理论及并列运行方式分析7 2 1 变压器的工作原理和型号编码原则7 2 2 变压器的主要技术参数。9 2 3 变压器功率损耗的计算方法1 1 2 4 变压器间技术特性优劣判定及其应用1 2 2 4 1 容量相同的双绕组变压器一13 2 4 2 容量不同的双绕组变压器一1 5 2 5 技术特性优劣分析在四合二次变中的应用1 7 2 6 容量相同的双绕组变压器并列运行方式18 2 6 1 相同台数间的变压器并列运行。1 9 2 6 2 不同台数间的变压器并列运行2 0 2 6 3 相同台数与不同台数间的变压器并列运行一2 2 2 7 容量不同的双绕组变压器并列运行方式2 4 2 7 1 相同台数并列运行变压器。2 4 2 7 2 不同台数并列运行变压器2 5 2 8 变压器的经济负载系数与经济运行区间2 6 2 8 1 变压器经济负载系数2 6 2 8 2 变压器的经济运行区间2 9 2 9 铁岭电业局2 2 0 k v 变电站经济运行方式分析。3 0 第3 章基于时段控制的变压器经济运行研究3 3 3 1 基于潮流计算的单时段变压器经济运行3 3 v 一 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 1 牛顿拉夫逊潮流算法3 3 3 1 2 潮流计算过程中对变压器的处理。3 6 3 1 3 单时段控制法的数学模型3 7 3 1 4 单时段法在调兵山一次变中的应用3 8 3 2 基于负荷平滑法的多时段变压器经济运行4 2 3 2 1 短期负荷预测模型及趋势简化4 2 3 2 2 多时段控制法的数学模型。4 5 3 2 3 多时段变压器运行的优化方案。4 7 3 2 4 多时段法在调兵山一次变中的应用。4 9 3 3 单时段法与多时段法的复合应用5 1 第4 章基于三维区图的变压器经济运行研究5 7 4 1 引言。5 7 4 2 二维区图法5 7 4 2 1 传统九区图法5 7 4 2 2 改进九区图法5 9 4 2 3 五区图。6 2 4 3 三维区图6 4 4 3 1 提出目的“ 4 3 2 参数极限值的设定。6 4 4 4 三维区图的控制策略。6 5 4 4 1 三维控制策略6 5 4 4 2 三维区图的平面投影控制策略6 9 4 5 针对调兵山一次变的区图法仿真分析7 1 第5 章结论与展望7 5 5 1 本文结论7 5 5 2 未来工作的展望7 5 参考文献7 7 致谢81 攻读硕士期间所取得的成果8 3 一v l 一 ， 扫， t 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 酗 发展离不开能源。世界经济的发展需要消耗大量能源。能源是人类赖以生存的物质 基础，是社会发展和经济繁荣的动力。随着经济的发展，社会对电网容量的需求越来越 大。面对能源需求的不断增长，与之相对应的却是化石燃料资源的加速枯竭。能源资源 的有限与能源需求的增长之间的矛盾日渐凸显，并越来越引起人们的关注l l 巧】。 我国是能源资源大国，但按人均资源占有率不及世界平均水平四分之一，因此我国 是能源短缺大国。我国低科技含量的能源运转系统导致了从能源开发、运输、加工到用 能终端的效率都很低。与国际先进水平相比，我国主要产品能源单耗平均要高出 3 0 8 0 ，能源利用率不仅远远落后于美国、日本等发达国家水平，甚至比巴西、印度 等一些发展中国家也要低【6 罐】，图1 1 所示为2 0 0 7 年世界主要国家的能源利用经济效率， 可以看出我国还是能源管理水平落后大国【5 j 。 图1 1 世界主要国家的能源利用经济效率 f i g 1 1e c o n o m i ce f f i c i e n c yo f e n e r g y - u s eo fm a j o rc o u n t r i e si nt h ew o r l d “建设节约型社会，实现可持续发展 是我国的基本国策。中华人民共和国节约 能源法第四条明确提出了“节能是国家发展经济的一项长远战略方针 ，第十条还指 出“能源节约与能源开发并举，把能源节约放在首位方针”。面对资源与环境的双重压 力，节约能源更具有深远的历史意义【1 ，3 】。 电力作为一种使用方便的优质二次能源，广泛应用于国计民生的各个领域，当今世 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 界“能源的发展是以电力为中心 。电力工业既是重要的能源生产部门，同时还是耗能 大户。根据有关资料的估算：从发电到供电，一直到用电广义电力系统中的各种电 气设备( 包括发电机、变压器、电力线路、电动机等) 消耗的电能约占总发电量的2 8 3 3 ， 具有巨大的可挖掘的节能潜力 9 - 1 1 l 。 有数据统计显示：我国电网的线损率高达8 7 ，而德国仅为4 6 。落后的原因是 多方面的，但我国电网损耗大的主要是由于我国的城乡电网结构和企业电网结构中电网 运行管理中科技含量太低所致。 变压器是作为电力系统运行的主要设备之一，是使用十分广泛的、实现电能转换与 分配的电气设备。 一般来说，从发电、供电一直到用电，需要经过3 5 次的变压过程。因此，在电力 系统中，变压器不仅总台数远多于发电机，而且总容量也远大于发电机的总容量，同时 也大于电动机的总容量。系统中所有变压器的总容量可达发电机总容量的7 倍之多。目 前，我国在运变压器的总容量约为3 5 亿k v a ，并还在以每年2 亿k v a 的速度增长。众 所周知，变压器在运行过程中是要产生功率损耗的。因此，尽管变压器自身效率很高， 但因其可观的使用数量和总容量，使得变压器在传递电能的过程中，总的电能损耗占到 电力系统损耗的3 0 左右，也即占发电量的1 0 左右【1 ，2 ，5 ，1 2 1 。对全国来说，这意味着全 国每年仅变压器的电能损失就将在2 5 0 0 多亿k w h 以上，损耗数目非常惊人。 降低变压器电能损耗的主要途径除了可以对高能耗变压器进行更新与改造、开发节 能变压器外，还可以实现变压器的经济运行以提高变压器的运行效率。因为变压器的电 能损耗除了与变压器性能容量和台数有关外，还随负荷的变化而变化。因此，合理地选 择变压器的运行方式和按变压器经济运行条件调整用电负荷，可以降低变压器的损耗， 实现节约用电。 变压器经济运行是指在满足供电对象用电需求和安全的条件下，采取技术或管理措 施使变压器处于电能损耗最低状态下运行，其实质就是变压器的节电运行。变压器经济 运行充分利用现有设备，基本上不用增加投资或只需增加少量投资【1 1 1 。 目前我国大部分在运变压器仍处于自然运行状态，还没有采用经济运行方式。根据 对多个已开展变压器经济运行的实例进行科学分析【4 ，1 3 1 7 】，可知其节电量在1 - 7 之间。 因此，全面开展变压器经济运行既是实现电力系统经济运行的重要环节，也是节约电能 的一个重要手段。开展变压器经济运行，能够降低企业成本、增加企业效益。因此开展 对变压器经济运行的研究具有重要的意义8 。们。 - 2 奎! ! 查兰堡主堂堡垒查 1 2 国内外研究现状 笫1 章绪论 由于变压器的容量、电压等级、铁芯、绕组结构以及制造工艺的不同，必然造成不 同变压器间的技术特性和参数存在着差异。在负载相同的条件下，也就必然会出现有的 变压器运行损耗大，有的变压器运行损耗小的情况。为了降低变压器损耗，提高变压器 的运行可靠性，各国都对变压器的电磁原理进行了深入的研究，试图利用变压器容量与 损耗之间的关系和变压器与运行成本之间的关系来推导出特定变压器的基本电磁关系。 自1 9 2 0 年魏得曼教授提出变压器经济运行理论基础后，长期以来，变压器经济运 行节电技术倍受重视，国内外的许多专家学者都对此进行了大量的分析研究，并取得了 丰硕的成果 i , 5 , 2 1 2 4 l 。 1 9 5 3 年，前苏联出台了电工工业技术管理法规，其中明确规定了“对于每一发电厂 或变电站，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 。 1 9 7 9 年，日本制定了工厂合理使用能源的考核标准，其中有一条提出要“调整变压 器的工作台数，并合理分配负荷，以保证经济运行 。 1 9 9 6 年，美国电气制造商协会依据n e m a t p 1 标准给出了一种独特的经济分析方 法一总拥有费用法( t o c ) ，即按总拥有费用来选择变压器；1 9 9 8 年美国能源部与环保 署共同发起了“能源之呈变压器计划”来推广高效能低损耗配电变压器；目前，欧盟也 正在制定这样一个最低能效的欧洲标准。 在我国，变压器经济运行的研究工作开展的比较早，取得了许多成果【1 ，3 ，5 ，1 2 1 ，并且 根据择优选择变压器和最佳运行方式的一套完整的理论计算方法，制定出了相应的技术 标准工矿企业电力变压器经济运行导则，使电力变压器经济方式的选择、计算和管 理规范化。沈阳工业大学成立了变压器经济运行研究所专门针对变压器经济运行问题进 行研究，胡景生教授对变压器经济运行方式进行了系统的理论分析，出版了变压器经 济运行等专著和大量论文，并结合计算机技术开发出了变压器经济运行软件，在系统 运行中也取得了一定的效果。大量的现场运行实例证实了变压器经济运行是一种经济实 用的节电手段【2 5 。2 引。 1 3 存在的问题 虽然近年来，我国很多地区都在推广变压器的经济运行，但是由于各地区自动化水 平不平衡以及长期以来在变压器经济运行中普遍存在的一些陈旧观念和习惯做法，即通 刁一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 常所说的误斟1 ，5 1 ，使得变压器在实际生产运行中存在着不同程度的低效运行，主要表 现在： ( 1 ) 误认为小容量变压器接近满载后才使用大容量变压器运行； ( 2 ) 误认为一台变压器接近满载后则应两台变压器并列运行； ( 3 ) 误认为变压器效率最高点时的负载率为7 5 左右； ( 4 ) 误认为变压器负载率低于3 0 时是变压器负载过轻( 俗称“大马拉小车”) ； ( 5 ) 误认为两台相同容量的变压器一台运行一台备用时，可随机选择运行方式。 正是这些错误的认识，造成在许多情况下变压器不处于经济运行状态，造成了电能 的浪费。要消除这些误区，必须要找出产生错误认识的根源。 随着世界经济的发展，技术在不断进步，变压器的制造水平也在不断提高，导致变 压器的技术参数发生了巨大的变化，尤其是铜铁损耗之比发生了巨大的变化。如果我们 仍然按照前苏联彼德洛夫教授的变压器经济运行理论进行变压器经济运行的计算，必将 产生很大的误差，从而走进变压器经济运行的误区。由此可以看出，没能“与时俱进 是产生变压器经济运行的误区的主要原因。 另外，虽然涌现出了大量的有关变压器经济运行的成果，但是这些成果大多都是在 基于理想的情况下，研究变电站内变压器的差别，计算出各运行方式下的功率损耗值， 确定它们在不同负载条件下的经济运行方式。这对于变电站内台数少并且接线简单的情 况时比较实用，但是当变电站内变压器数目较多、接线较复杂，实际运行中不同变压器 间的负载并不是按额定容量分配时，要想求解每一种运行方式的功率损耗计算公式非常 困难的。因此，一般的论著均只讨论到两台三绕组变压器止，本文以双绕组变压器为主 对变压器的经济运行进行一定的分析计算，没有给出具体的实例针对三绕组变压器进行 分析。 传统的变压器经济运行工作多是基于手工计算，它不仅难度大、耗时多，而且效率 低、错误率高。计算机的出现，使一些依据传统手段难以实现的困难任务变得容易。近 几年，涌现出了多个版本的变压器经济运行计算软件，这对变压器经济运行方式的确定 发挥了很大的作用。但是这些软件许多都是基于变压器的历史运行数据进行分析计算， 这对于一些负荷波动较大或变压器台数多的变电站，由于数据采集选择的偶然性大，不 利于进行正确的分析和判定。 基于此，研究及设计一种新的变压器经济运行控制方法对电力系统中的变压器经济 运行是非常必要的。该方法应能根据预测的未来一段时间变电站内所有变压器的相关数 据，进行有功、无功及其损耗的计算分析判断，选择变压器经济运行方式，并根据电压、 卜 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 功率因数以及负荷大小的变化确定变压器的经济运行方式。 1 4 本文的主要工作 本论文围绕铁岭电业局变压器优化运行系统的开发，主要的工作有以下几个方面： 1 介绍了变压器的基本理论、变压器功率损耗的计算方法、变压器的负荷一功率损 耗特性，重点介绍了两台双绕组变压器经济运行方式的判定方法，给出了以综合功率损 耗为目标的变压器经济运行算法。在此基础上讨论了如何把变压器经济运行原理与实际 运行相结合，以解决实际问题。 2 研究了基于潮流计算的单时段法变压器经济运行：根据潮流计算结果，形成了 变压器在各种运行方式下的通用计算方案。采用这种算法，大大简化了变压器功率损耗 的计算过程，计算结果的精确度也有所提高，更加符合实际运行情况。 3 在单时段法的基础上，研究了多时段法变压器经济运行：根据潮流计算结果和 采集的历史数据，利用一元线性回归法进行短期负荷预测，运用负荷平滑法对负荷曲线 进行简化，结合给定的约束条件，得出给定时间段内的变压器最优运行方案，较好地解 决了变压器投切时机的选取问题。 4 综合比较了单时段法与多时段法，对两种方法的适用条件进行了深入分析，并 结合具体数据对两种优化方法分别进行计算，计算结果证明两种优化方法都是可行的， 并适用于不同的负荷条件。 5 通过对现有区图法的改进，提出了基于电压、功率因数和负载的三维区图法， 并将其运用于变压器运行方式的优化，并针对调兵山一次变数据对三维区图法的应用进 行了仿真分析。 5 一 东北大学硕士学位论文第2 章双绕组变压器基本理论及并列运行方式分析 第2 章双绕组变压器基本理论及并列运行方式 分析 2 1 变压器的工作原理和型号编码原则 1 工作原理 变压器是一类根据电磁感应而将交流电变换为同频率、不同电压的交流电的非旋转 式电机【1 ，5 1 。以最简单的双绕组变压器为例，一个变压器主要由两个绕组和穿过这两个 绕组的共同磁路组成，如图2 1 所示。与电源相连的绕组( 即输入电功率的绕组) 称为原 绕组或一次绕组；与负载相连的绕组( 即输出电功率的绕组) 称为副绕组或二次绕组。为 加强磁场、提高效率，两个绕组通常均绕制在同一个闭合的铁心上。 u v 一一 弋 、 r - - - 4 - - 弋 、，、 一一 图2 1 变压器的工作原理 f i g 2 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft r a n s f o r m e r 变压器铁心一般由两面涂有绝缘层的冷轧取向硅钢片叠加或卷取而成。变压器铁芯 分为芯式和壳式两大类。通常芯式铁心用于高电压、小容量的变压器；壳式铁心则用于 低电压、大容量的变压器。 变压器绕组由铜或铝的绝缘扁导线或圆导线绕成。原、副绕组匝数不同，电压不同。 大型变压器还有冷却系统、保护装置、出线装置和油箱等部分。 根据电磁感应定律，可知感应电动势的大小与绕组的匝数以及主磁通的最大值成正 比，即： e = 4 4 4 f n o 肼 ( 2 1 ) 式中：e 一感应电动势，单位v ； 厂一交流电频率，单位h z ； 绕组匝数； 。一主磁通的最大值，单位w b 。 东北大学硕士学位论文第2 章双绕组变压器基本理论及并列运行方式分析 如图2 1 所示的变压器的一次、二次绕组的匝数分别为w l 和w 。当在变压器的一 次侧施加u i 的交流电压时，一次侧的电流值为i l ，铁心中产生的磁通量为。 当不计磁通损失并且二次侧断开时，有： 篑= 每= 瓮= k c 2 2 ， 易2 、。 式中：u 2 为二次侧绕组的端电压，k 为变压器的电压比。由式( 2 2 ) 可知，变压器的电压 比即为绕组比。 当二次侧连接一个阻值为r 的负载时，一次侧初始条件不变，假设此时二次侧的流 出电流为1 2 ，则在不计电能损失的情况下，输入功率等于输出功率，即厶u = 1 2 u s ，因 而有： 丢老= 去 仁3 ， l = 三= 一 f 2 n 1 2 u l k 、。 2 变压器型号编码原则 电力系统中的变压器不仅数量庞大，而且种类繁多，所以必须建立一类科学的变压 器型号的编码原则，以使我们只要知道变压器的型号，就可以知道变压器的一些主要技 术参数以及某些工作方式。变压器的型号编码由字母和数字组成，其含义如图2 2 所示。 图2 2 变压器型号中各代码的含义 f i g 2 2m e a n n i n go f t h ec o d e so f t r a n s f o r m e rm o d e l 一8 - 一 一 一一一一 一 盼 一 一叭一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一 黼躺柏槲梆乳鳓蒯 婚期 咿瓶腚腿掀黼临蜘 髓喝 东北大学硕士学位论文第2 章双绕组变压器基本理论及并5 1行方式分析 2 2 变压器的主要技术参数 变压器的技术参数1 1 用于表征变压器的基本性能以及其在供电过程中自身损耗的性 能，这些参数是分析计算变压器经济运行的基础。本节以双绕组变压器为例介绍变压器 的主要技术参数，三绕组变压器的技术参数可以参照双绕组变压器进行分析计算。 1 额定容量 变压器的额定容量是指变压器在额定电压、额定电流作用下连续运行时输送电能的 能力，以视在功率表示。 对于单相变压器与三相变压器，其计算公式分别为式( 2 4 ) 和( 2 5 ) ： s n = u i n i i n = u 2 n i s n q s n = 4 3 u , = 4 3 u 2 厶 ( 2 5 ) 式中：瓯一额定容量，即视在功率，单位k v a ； u 、一变压器一次侧、二次侧的额定电压，单位k v ； 厶、厶变压器一次侧、二次侧的额定电流，单位a 。 我国现行的变压器容量按r 1 0 系列组合，即按呵1 0 = 1 2 5 8 9 2 5 6 1 2 6 倍递增，如： 1 0 0 k v a ：1 2 5 k v a ：1 6 0 k v a ：2 0 0 k v a ：2 5 0 k v a 。 2 空载电流 空载电流的作用是变压器在空载运行时建立起主磁通，仅起励磁作用，因此空载电 流又称为励磁电流。 当变压器工作在额定电压下，二次侧空载时，原绕组中通过的电流即为空载电流。 变压器出厂铭牌上所给的空载电流一般用百分率表示，即： ， j f d = 争1 0 0 ( 2 6 ) 1 i n 式中：厶一空载电流，单位a ； 由于导磁材料磁化曲线具有非线性性质，且在一定电压下，磁化电流的大小与波形 取决于铁芯的饱和程度与铁芯磁通密度的大小。因此，空载电流与铁芯材质、磁路的几 何尺寸和铁芯制作工艺等密切相关。一般变压器的空载电流为0 6 3 ，高压大容量变 压器的空载电流在l 以下。 东北大学硕士学位论文第2 章双绕组变压器基本理论及并列运行方式分析 3 空载损耗 空载损耗是在变压器工作于额定电压条件下时，铁芯内由励磁电流引起磁通周期变 化时产生的损耗，所以空载损耗也称铁芯损耗，简称铁损。 铁芯损耗包括基本铁耗和附加铁耗。基本铁耗包括变压器铁芯中的磁滞损耗最和涡 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，如夹板、螺钉等处引起的涡流损耗记忆高压变压器中的介质损耗等。附加铁 耗难以准确计算，一般约为基本铁耗的1 5 0 o , - 2 0 。 空载损耗的计算式为： 昂= 只+ 忍+ 只= 毛倒y + c 厂2 磁y + 只 ( 2 7 ) 式中：吃最大磁通密度，单位t ； 磁滞系数； y 铁芯体积，单位1 7 3 ； 瓦、k 一常数。 4 短路电压 短路电压是指当变压器二次侧绕组短路时，在一次绕组施加额定频率的低电压并慢 慢升高，直到变压器二次侧流过的电流达到额定电流时，一次绕组侧所施加的电压以， 短路电压又称短路阻抗。与空载电流类似，一般情况下阻抗电压也以百分率表示，即： r 厂 饥= 争1 0 0 ( 2 8 ) u i n 阻抗电压的大小也与变压器结构密切相关，其值的大小主要取决于绕组的几何尺 寸、绕组间的距离以及绕组匝数的平方成正比。 5 短路损耗 变压器的短路损耗是指当变压器在额定负载运行时，当一次、二次侧绕组通过额定 电流时，绕组中所产生的损耗即为额定负载损耗。额定负载损耗包括基本铜损p 和附加 铜损两部分。 最= e + 只= 焉，；+ 焉吒+ c ( 2 9 ) 式中：，i 、吃一变压器一次、二次绕组的电阻，单位q 。 一1 伊一 东北大学硕士学位论文第2 章双绕组变压器基本理论及并列运行方式分析 2 3 变压器功率损耗的计算方法 变压器在传送功率的过程中，其自身会产生有功功率损耗和无功功率损耗。由变压 器的有功功率损耗和无功功率损耗而导致受电网增加的有功功率损耗与变压器自身有 功功率损耗之和即为变压器的综合功率损耗。变压器的功率损烈1 1 计算方法根据计算思 想的不同可以分为瞬时计算法、稳态计算法和动态计算法三种。本节以双绕组变压器为 例给出其功率损耗的稳态计算方法，其他的计算方法也可相应推出。 1 有功功率损耗 t 时间段内双绕组变压器的稳态有功功率损耗及损耗率的计算公式为： a p = p o + p 2 最 ( 2 1 0 ) a 尸：竺1 0 0 ： 墨生墨_ 1 0 0 ( 2 1 1 ) 片p s c o s ( p + 昂+ p 2 乞 、 式中：p t 时间段内变压器的平均负载系数。1 3 = i s = 瓦丧面； s t 时间段内变压器输出的平均视在功率，单位k v a ； 只_ t 时段内变压器电源侧输入的有功功率，单位k w ： 只- t 时间段内变压器输出的平均有功功率，单位k w ； c o s 叩- t 时间段内变压器负载侧的平均功率因数；c o s ( p = 詈。 稳态计算法适用于t 时间段内的负载相对平稳、负荷率大于或等于9 5 的情况，若 t 时间段内变压器的负载波动较大，则使用稳态计算法将造成较大误差，这种情况下则 需要采用另外一种计算方法一动态计算法。 2 无功功率损耗 变压器空载时，电源侧的励磁功率q o ( 单位k v a r ) l 为： q o = 瓜强 变压器额定负载时所消耗的漏磁功率g ( 单位k v a r ) 为： q k = 雁1 式中：& 一变压器空载时电源侧的视在功率；s o = 玩u = i o s n x l o ； ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 东北大学硕士学位论文第2 章双绕组变压器基本理论及并列运行方式分析 墨一变压器短路时电源侧的视在功率；墨= - ，l = 以x l o - 2 。 q o 、q 一般情况下可以简化计算为： q 0 s o = 厶晶x l o 之 o k 瓯=