变压器最佳经济运行状态的分析.doc

变压器最佳经济运行状态的分析李华荣1 ,刘玉梅2(1. 中州铝厂 ,河南 焦作 454174 ; 2. 中州分公司 物资配送中心 ,河南 焦作 454174)摘要 :从理论上分析变压器的铁损和铜损 ,计算变压器的效率和最佳负载率 ,阐述变压器的最佳经济运行状态 。关键词 :变压器 ;损耗 ;经济运行 ;节能文章编号 :1005 - 8370 (2004) 03 - 45 - 03中图分类号 : TM41文献标识码 :B变压器是工业企业内部供电网络中的主要设备 ,其电能损耗占企业内部供配电网络损耗的 50 %60 % ,因此 ,合理选择变压器容量与负载之间的 匹配是确保企业供配电网络经济运行的关键 ,对节 约能源具有重要意义 。然而 ,这个问题一直被许多 电气工作人员所忽视 ,他们常常以变压器是否“大马拉小车”这一简单的标准来判断变压器运行状态的 优劣 ,错误地认为变压器容量利用率越高越好 。实 际上 ,从节电的角度来说 ,这是单一地强调铁损 ,而忽视了铜损这一重要因素 ,也就是说 ,没有从理论上 弄清楚变压器损耗的概念 ,因此有时会出现错误 ,把 浪费电能当成节约电能 。要想使变压器处于最佳经 济运行状态 ,必须使变压器处于最佳负荷系数下运 行 ,也就是如何根据负荷选择变压器的经济容量 ,下面就这一问题作简要阐述 。载电流流过原 、副线圈所产生的电阻损耗 , 即铜损PCu ,其大小与负载电流平方成正比 ,即 :PCu = I22(1)1 R1 + I2 R2= ( I2/ K) 2R1 + I22 R2= ( R1/ K2 + R2) I22 R I22式中 : I 、I 分别为原 、副线圈的电流 ;1 2R1 、R2 分别为原 、副线圈的电阻 ;K 变比 ; R折算到副边的等效电阻 。 若变压器满载时副边额定电流为 I2H ,而此变压器的铜损 PCu近似等于短路损耗 PK ,故 :2(2)R= PK/ I2H将 (2) 式代入 ( 1) 式 ,即变压器任意负荷时的铜损 :2PCu = I2 R(3)1 变压器的有关概念= I2 P / I22 K 2H= ( I2/ I2H) 2 PK=2 PK式 (3) 中 ,= I2/ I2H即称为变压器的负荷率 。 这样 ,变压器在不同负荷系数条件下的总有功损耗为 :1 . 1变压器的损耗变压器的损耗主要由铁损和铜损两部分 。变压 器的铁损是指变压器运行时铁芯中的涡流损耗与磁 滞损耗之和 ,用 PFe表示 。当变压器空载时 ,因其空载电流很小 , 故铜损也很小 , 所以此变压器的损耗(4)P损 = PFe + PCu= P0 +2 PK(即空载损耗P0 几乎等于铁损 , 在电源 、电压和频率不变的情况下 ,铁损仅和磁通密度有关 ,而几乎与负载无关 ,所以 ,无论空载还是有载 ,变压器的铁损 几乎不变 ,即 P = P 。事实上 ,变压器在运行中无功损耗也是存在的 。1 . 2变压器的效率压器的效率 。= P2/ P1 100某水泵房正常运行时有 2 台泵同时开动 ,每台泵由 100 kW 电机带动 , 所以经常负荷为 200 kW , cos2 = 0 . 9 ,原配备 1 台 750 kVA 变压器 ,其容量利用率仅为 34 %左右 ,视为“大马拉小车”,后换 1 台250 kVA 小变压器 ,利用率达将近 100 % ,但实测 2台变压器的参数如表 1 :(5)%而 P2 =S H cosP1 = P2 + P损 =S H cos + P0 +2 PK故变压器的效率为 : = P2/ P1 100 %(6)= S H cos/ ( S H cos+ P0 +2 PK) 100%表 1实测变压器的参数式 (6) 中 S H 为变压器的额定容量 ( kVA) ; cos为负载的功率因数 。显然 ,变压器的效率 是负荷率的函数 。容量 ( kVA)铁损 ( W)铜损 ( W)7502 04012 1502501 0403 8662变压器的节电分析首先 ,根据习惯计算方法 ( 忽略铜损) 得出节约功率 :P = PD0 - PXD = 2 . 040 - 1 . 040 = 1 kW再根据 (11) 式计算得 :长期以来 ,人们以变压器容量的利用率是否低于某一数值作为划分变压器是否节能的标准 ,实际 上有时这种标准不是在节约电能 ,而是在浪费电能 。产生这种错误的直接原因是由于当根据容量利用率 的大小认为变压器“大马拉小车”时 ,必然要以利用率高的小容量变压器来代替大容量变压器 ,从而是单一地考虑了铁损而忽视了铜损 。实际上 ,往往对 于某一负载 ,小容量的有功损耗大于大容量变压器的有功损耗 ,故是浪费了电能 。其正确的节约功率 计算应由以下步骤导出 :大容量变压器的有功损耗 :2 P2P = PD0 -PXD +D D K DN XN- ( S / S PXK )= 2 . 04 - 1 . 04 + 0 . 342 12 . 15 -(750/ 250) 23 . 86= - 1 . 61 kW以上结果表明 ,大容量变压器的损耗小于小容 量变压器的损耗 ,其实是浪费电能 。这即是把浪费电力当成节电之例 ,主要原因是 习惯的计算方法忽略了铜损之故 。由上可见 , 从节电的角度来分析 , 在某些情况 下 ,变压器“小马拉小车”不如“中马拉小车”,甚至反而不如“大马拉小马”,所以计算时一定要考虑变压 器空载和负载两方面的损耗 ,在节电还是费电上才 能正确地做出结论 。2P0 = PD0 +D(7)PD K式中 : P0 大容量变压器的空载损耗 ,kW ;D 大容量变压器的负荷率 ;PD K 大容量变压器的短路损耗 ,kW 。 小容量变压器的有功损耗 :2PX = PX0 +X(8)PXK根据负载率与变压器容量之间的关系得 :变压器最佳负载率与节电3X =D S DN/ S XN将 (9) 式代入 (8) 式得 :(9)变压器的负载系数即变压器运行负载与额定容量之比 。当变压器运行损耗最低 、效率最高时的负载系 数为最佳负载系数 ,变压器运行于当实际铜损等于铁损时效率最高 。变压器的效率为 : = P2/ P1 100 %= S Hcos/ ( S Hcos + P0 +2 PK) 100 %上式两边对 求导 :且令 d/ d= 0 ,则有 :22PX = PXD +D ( S DN/ S XN)(10)PXK再将大容量变压器的有功损耗减去小容量变压器的有功损耗 : 即 (7) 式减去 (10) 式 ,求得计算节约 变压器功率的完整式 :(11)P = PD - PX222= PD0 +D PDK -PXD +D ( SDN/ S XN) PXK= PD0 - PXD +D2 PD K - ( S DN/ S XN) 2 PXK 现举例加以说明 :P0 =2 PK= PCu即当变压器的铜损等于铁损时 , 效率最高 , 因(恒定或均衡负载取 1 ,波动频繁 ,幅值较大的负载取大值 ,0 . 55 为验算变压器容量 , 如果小于该值就 是“大马拉小车”) ,即为经济运行区 ,所以变压器输 出容量为 :S E = SJ S/ (0 . 551 . 45)D ( kVA)根据计算容量选择相近标准容量值的变压器 。4 . 3 变压器容量损失对经济性的影响变压器在最佳负载系数下运行时 ,实际负载仅 为其额定容量的 50 %左右 ,从建设投资来考虑并不 理想 ,分析如下 :1) 变压器运行最经济时 ,节电对损失容量投资 的抵偿年限 (即投资全部收回年限) ,据统计一般只需 23 . 5 年 ,最多也不会超过 5 年 。2) 从变压器使用寿命考虑 ,变压器的额定负载 下长期连续运行的自然寿命为 20 年 ,若过载时 ,绕 组每升高 68 ,寿命将减少一半 ,反之 ,若运行在 最佳负载系数或经济区 ,使用寿命可延长 。3) 供电部门强调变压器负载系数应在 70 %80 % ,用户根据生产需求并加一定的容量向供电部 门申请用电容量 ,故实行运行负载系数比供电部门 要求低 ,即接近最佳负载系数 。4) 无功功率的补偿 。企业用电设备绝大多数是感性负载 ,因此 ,除消耗有功功率外 ,还要消耗一定 的无功功率 ,对无功功率通常利用人工补偿以达到 降低损耗提高电压 ,增大变压器输出能力 ,减少设备 投资费用的目的 。通过运 行 的 实 践 表 明 , 一 般 功 率 因 数 保 持 在0 . 90 . 95 之间为佳 ,当负载变化时 ,补偿电容量也 跟着变化 ,才能保持最佳的功率因数 ,取得较好的节 电效果 。此 ,变压器的最佳负荷率为 :0 =P0/ PK考虑到变压器运行时无功在系统中传输所引起的有功损耗 ,最佳负荷率修正为 :0=( P0 + CJ Q) / ( PK + CJ Q K)式中 : CJ 无功经济当量 ,取 0 . 10 . 15 。由最佳负荷率的公式可以看出 ,变压器的最高 效率并不出现在满载时 ,一般在 50 %左右 ,但我们具体在选择变压器容量时 ,要根据负载情况和最佳负荷率 ,选择合理的变压器 ,使变压器处于最佳经济 状态 ,达到节电目的 。4 变压器经济容量的选择4 . 1选择变压器容量的经济运行原则选择变压器容量要从节能的目的出发 ,首先 ,应 考虑使用环境及选用低损耗变压器 ;其次 ,根据生产要求计算出需要的最大负载 ,再根据最佳负荷率选 择合适的变压器容量 。4 . 2变压器容量的选择方法根据生产工艺要求 ,求出变压器最大计算负载SJ S 。从表 2 查出最佳负载系数 0 ,乘以 0 . 551 . 45表 2610 kV 变压器部分最佳负载系数型号容量 ,kVASJL1SL7SCS95068801001251602002503154005006308000. 6340. 5970. 5900. 5720. 5530. 5450. 5280. 5280. 5150. 5110. 5010. 4990. 4740 . 5020 . 4930 . 4990 . 4930 . 4820 . 4910 . 4920 . 4930 . 4900 . 4910 . 4910 . 4830 . 4590. 580 . 50. 480. 480. 490. 460. 430 . 5240 . 5250 . 5220 . 5200 . 5160 . 5120 . 5140 . 5020 . 5040 . 49