变压器节电运行设计正文.doc

第一章 变压器技术特性一 变压器的技术参数在分析、计算变压器经济运行时，常用的技术参数有4个： I0（空载电流）、P0（空载损失）、Uk（短路电压）、Pk（短路损失）。首先简介其物理概念：（一）空载电流I0：空载电流的作用：建立工作磁通，因此又称励磁电流。如图11（a）所示：当变压器负载侧开路，在电源侧加额定电压（UIe）时，原绕组要产生空载电流。由图11（b）可知，空载电流的大小取决于变压器铁芯的磁通密度（Bm）Bm=总S（厘米）2空载电流和磁通密度存在着I0=f(Bm)的非线性关系。I0值与铁芯的材料、磁路几何尺寸及工艺制造密切相关。 (a)电路(b)磁化曲线 (c) 等效电路图11变压器空载时，电路和磁路的原理图图11（c）为空载时的等效电路。空载电流为。由于原边阻抗Z1与铁芯阻抗Zm，Z1Zm,即Zs1 Zm,所以Zs1可忽略不计（漏阻抗Zs1产生的电流很小，可略）。所以出厂铭牌所给的空载电流值用百分比表示，即。（二）空载损失P0由于励磁电流在变压器铁芯中产生的交变磁通（），要引起涡流损失和磁滞损失。涡流损失铁芯的感应电流引起的热损失，其大小与铁芯的电阻成反比。（为了减少涡流损失，必须增大铁芯的电阻，因此在铁芯材料中加上硅，做成薄些的硅钢片）。磁滞的损失，是由于铁芯中的磁畴，在交变磁场作用下，做周期性旋转，引起的铁芯发热，其损失大小显然由磁滞回路所决定。这两种损失是在空载条件下产生的，和负载大小无关（又称铁损），P0与Bm2成反比，也与铁芯的材质和制造工艺有关。（三）短路电压Uk(称短路阻抗)短路电压值的大小主要取决于原副边绕组的几何尺寸（如其直径、厚度、高度及距离等）。短路电压主要是变压器原副边绕组的漏电抗在额定负载下产生的电压降。Uk的大小，还和绕组匝数的平方成正比。变压器出厂名牌所给定的短路电压值用百分数表示：（四）短路损失Pk短路损失Pk是变压器在额定负载下，其原副边绕组所产生的功率损失（又称铜损）（绕组温度为750C时所测得的损失）。以上四个参数（由实验得来）中，I0、P0主要反应铁芯的特性，UK、PK主要反应原副边绕组的特性。P0、PK主要反应变压器的有功功率损失，而I0、UK则反应变压器的无功功率消耗。 二 变压器存在着经济运行因素。这主要是由于变压器间技术参数存在差异，以及变压器的功率损失随着负载而发生非线性变化的特性所决定。（一）变压器间技术参数存在差异。每台变压器都有4个技术参数，由于容量、一次及二次电压等级、铁芯、绕组材料、设计及制造工艺等的不同，变压器间4个技术参数也有较大差异，即使规格相同、材质相同，又是同一设计、同一厂家生产的变压器，其4个参数也存在一定差异。同理，由不同台数变压器组合的运行方式间的技术参数也存在差异。因此，变压器经济运行就是选择参数好的和最佳组合参数，即选取经济运行方式运行。（二）变压器有功损失和损失率的负载特性。变压器有功损失P（KW）和损失P%（%）的基本计算公式： 由上两式可绘成如图12的曲线 及图12变压器有功损失和损失率的负载特性曲线由图12可知，变压器P%是负载系数的二次函数，并且P%先随负载的增大而下降，当负载铁损等于铜损时，即时，然后又随负载系数的增加而上升，是最小的负载系数，称为经济负载系数。三 变压器的技术特性优劣分析和计算变压器技术特性优劣的分析计算，是分析计算变压器经济运行的基础，在有些情况下可直观区分变压器技术特性的优劣，但在某些情况下，特别是对容量不同的变压器其技术特性的优劣，要通过判定公式计算后才能确定。（一）容量相同的变压器技术特性优劣判定。若A、B两台变压器容量相同，其参数分别如下：A：PA0 PAK IA0% (QA0) UAK% (QAK)B：PB0 PBK IB0% UBK%每台功率损失计算式为：令PA=PB时，对两式联立求解，可得A、B间经济运行的临界负载系数：=同理， = = (有功判别式) (无功判别式) (综合判别式)注：KQ:无功经济当量，根据变压器的安装位置查表可得。例1：某变电所有两台10/0.4，750KVA,参数如下：KQ=0.15P0PKI0%UK%Q0 QKA3.1 7.73.284.924.636.75B2.2911.751.184.58.8533.75解：将数据代入判定式： 按判定，当0.447时，B优A； 当0.447时,A优B。由于与相差较大，最后要用判定，但首先计算QAO 、QBO、QAK、QBK，然后再根据本例题联接系统位置，查得KQ=0.15当0.939时，B优A；当0.939时，A优B。 图13两台容量相同的变压器间综合临界负载系数曲线图。（二）容量不同的变压器技术特性优劣的判定如两台变压器的容量（e:额定）负载视在功率为S，则两台损失计算公式为：令PA=PB时，对两式联立求解，可得有功临界负载视在功率SLP式：（SLP也可称为临界容量）同理：同理：分析：1、SLP、SLQ为虚根时，一定没交点，空载电流小的优于大的，不必再用综合判别式判别。2、SLP、SLQ为实根，或为一虚一实，必须使用综合判别式进行判别。例2：某变电所有两台35/10KV变压器，其参数如下：P0PKI0%UK%Q0QKSeA11.537.23.525.831131873200B18.454.32.295.811643255600解：将数据代入SLP、SLQ得：由本例题联接系统位置，可查表得KQ=0.09。分别计算出：A： B：再求取SLZ:结论：当SSLZ(2098)，则5600运行； 当SSLZ(2098)，则3200运行。当负载为2750KW，功率因数=0.9时，求5600/3200节约有功电度多少？3200运行时，5600运行时，全年节电：论证：本例说明，凡是小容能承担负载的就不用大容量变压器的习惯做法是不对的，通过计算改为5600运行是节电的。第二章 变压器经济运行由于变压器是变电所的主要耗电设备，所以，变电所的经济运行主要取决于变压器的经济运行。这需要从几个方面着手：一是判定各种不同运行方式间变压器组合技术特性的优劣（从中选取最佳参数运行方式运行）；二是正确地确定各种运行方式的经济负载系数；三是变压器间的经济负载的分配等。本章针对电网实际非经济运行方式，以两台（符合并列条件）为例进行分析比较并计算节电效果。一 两台相同容量的变压器经济运行方式变电所有两台变压器A 和B，假若A运行，按经济运行条件试求在什么负载下投入B（即并列运行）或B运行、A B并运。A变压器：A B并运：令PA=PAB。对两式联立求解可得：一台和两台间有功临界负载系数时，两台运行。例3：某变电所有两台35/10.5KV , 10000KVA的变压器，参数如下：A台 PO=17.36 PK=75.3(冷轧)B台 PO=29.3 PK=94.8（热轧）求变压器A和B（并）及B和AB(并)的临界容量。解：利用公式求A与AB间SLPAAB利用公式求B与AB间SLPBAB 两种运行方式相差悬殊，主要原因是技术参数相差较大所至（A为冷轧、B为热轧）由此可见，变压器运行台数的选择应考虑其技术参数，按理论公式计算后确定。二 两台不同容量的变压器经济运行方式变电所有两台变压器A和B，若A运行，按经济运行条件试求在什么负载条件下投B（即A、B并列运行）或B运行、A B并运。A变压器：A B并运：令PA=PAB。联立求得：A和B间临界SLPAAB同理，当SSLPAAB投B；当SSLPAAB时投A。例4：变电所两台不同容量的变压器参数如下，试求A与AB及B与AB间临界条件。SeP0PKI0% UK%注A800010.952.80.6587.2冷B750024.075.03.507.2热解：求A与A B间临界容量： 求B与A B间临界容量：分析：A超载后（9035）投B，正常情况下不能超载运行，B刚过半载，A就要投入，这两种方式主要是技术参数差异大造成的，所以不能用一个规定值代替。在什么负载下投下第二台并列运行，取决于变压器的参数，利用专用公式，经过计算后确定经济运行方式，并列先投A满载后再投B为经济运行方式。三 变压器的经济负载系数由于变压器各种运行方式的损失率随负载发生非线性变化的特性，因此就存在着在某一负载系数条件下运行，其负载率最低的情况，称此负载系数为运行方式的经济负载系数，正确地、合理地确定变压器各种运行方式的经济负载系数，也是开展变压器经济运行的重要方面。（一）按经济负载系数确定投入台数。例5：变电所有两台35/0.5KV冷轧硅钢片变压器，参数如下：Se POPKIO%OUK%备注A1000011.30276.380.6587.54运行B800010.7560.700.7967.75备用分别求单台和两台（并运）有功负载系数，再求负载为6750（KW）COS2=0.9,A运行B备用，按经济负载系数改为两台并运，计算节电效果。解：A台（1000）: B台（8000）: 两台（AB）并运：（二）按例5两台并运比单台运行节电计算：两台并运利用专用公式计算节电效果。即：全年节电量分析：本站实际经常负载为6750/0.9=7500（KVA）是10000KVA负载率为75%，而经济负载系数是0.385，两者相差太大（A的负载系数为0.75，是非经济运行方式），两台并运后，经济负载系数为0.401，实际负载系数为7500/18000=0.417，理论公式计算的负载系数，和实际负载系数相接近。这说明并列运行是经济运行方式，所以本例原运行方式（A运行，B备用）通过上述计算后应改为AB并列运行方式为最佳方式。四 变压器间负载的经济分配一个地区（或一个企业）的用电负载是由几台变压器分列运行供电时，变压器总的功率损失等于各台损失之和。若总的用电负载不变，运行方式不变，但随着变压器间负载分配的变化，变压器总的损失也将随之改变。本节专题分析和计算在各台变压器不过载的条件下，按什么规律分配，才能使变压器总的功率损失降到最低限度，即变压器间负载的经济分配，也是变压器经济运行的一种方式。下面将如何分配两台变压器的负载，才能使变压器总的有功功率最小。（一）两台容量相同的变压器之间的负载分配是与自身的短路损失成反比。两台变压器总的负载P=A台负载与B台负载之和，即P=PA+PB JA分配系数 JB分配系数例6：变电所有两台10000KVA变压器，分列运行供电，其参数如下：A：PK=70(KW) B：PK=98（KW）经常负载为15000（KW），功率因数cos2=0.9,A变压器承担负载6100KW,B变压器承担负载8900KW.求按经济分配原则分配并计算节电效果（只计算有功节电）。解：1、利用分式经济分配A和B负担的负载：计算后对A变压器所承担负载8750KW，校验是否过载，若过载，以满载为准，若超载，以满载为限。校验公式：校验结果不过载。解2：利用专用公式计算节电效果。注：PAS、PBS代表自然分配负载功率。 PAJ、PBJ代表经济分配负载功率。全年节电量 分析：如果根据变压器间负载经济分配来调度电力负载，就能做到节约电能，实现变压器经济运行，这是不用投资，只要加强科学管理。就能取得较好的经济效果的措施。（二）两台不同容量的变压器间负载的经济分配是与自身短路损失成反比，与其容量的平方成正比。 两台变压器总的负载，P=A台负载PA和B台负载PB之和，即P =PA+PB （JA分配系数） （JB分配系数）五 变压器运行方式的经济运行区以前已经分析了变压器运行方式的经济负载系数。实际上按经济负载系数实施变压器经济运行是很难做到的，因此，本节在经济负载系数的基础上提出了经济经济运行区间的概念，由于使负载满足经济运行区条件，必须进行调负现对变压器经济运行区进行分析。（一）变压器经济运行区（单台）如前所述，由于变压器的损失率的负载特性是一个非线性函数，所以在变压器损失率负载特性曲线图中，按损失的大小分成三个运行区间：经济运行区、不良运行区和最劣运行区。如何划分3个运行区，利用临界负载系数公式求得：即：经济区与不良区临界负载系数： （KLj=1.1）不良区与最劣区临界负载系数公式： (KLL=2.5)分析：1、有两个根，当负载在.内变化时，损失率最小，为经济运行区。2、只有一个根，当负载在及1内时，损失率较大，为不良运行区。3、0是最劣运行区，负载很轻，损失很大，杜绝在此区运行。（二）绘制变压器运行区划分图例7：选择8000KVA冷轧变压器，P=15.1 (KW) PK=62(KW) cos=0.9.任选20个负载系数值（0.051.00），进行计算划分。解：1、计算损失和损失率：S=SeP2=ScosP=PO+2PKP1=PO+PP%=P/P1100%0.0540036015.260375.2604.0700.1080072015.720735.7202.1400.151200108016.5001096.5001.5000.201600144017.5801457.5801.2100.252000180018.9801818.9801.0400.302400216020.6802180.6800.9500.352800252022.6952542.6950.8900.403200288025.0202905.0200.8600.453600324027.6553267.6550.8500.504000360030.6003630.6000.84280.554400396033.8553993.8550.84760.604800432037.4204357.4200.8600.655200468041.2954721.2950.8750.705600504045.4805085.4800.8900.756000540049.9755449.9750.9200.806400576054.7805814.7800.9400.856800612059.8956179.8950.9700.907200648065.3206545.3200.9980.957600684071.0556911.0551.0301.008000720077.1007277.1001.060利用临界负载系数公式计算计算经济区和，经济区与不良区的临界负载系数为：得： 不良区与最劣区的临界负载系数为：3、绘制损失率负载特性曲线并划分三个工作图21变压器经济运行区的划分特性曲线经济区与不良区的临界负载特性公式求得：和，利用不良区与最劣区的临界负载特性系数公式求得。即可绘出经济、不良、最劣三个运行区。六 两种运行方式经济分析比较（一）例8：变电所两台变电器分列运行，其技术参数及负载如下：Se(KVA)P0(KW)PK(KW)I0%UK%负载cos2A1000018702.87.253000.9B750014753.07.567000.9常见运行方式（I）经济运行方式（）根 据没有理论根据，是普遍存在的习惯做法与变压器自身短路损失成反比，与其容量平方成正比负载分配自然分配A供5300 B供6700经济分配A供7868 B供4132损失计算PA+PB=130.2(KW)PA+PB=113.6(KW)年节电量不节电AP=145416(KWh)企业开支多缴电费年少缴电费约11.6万（二）增加社会效益该所年节电量可以多产原煤1993吨，多产钢3591吨，多产水泥487吨，多产.根据国家统计资料得知，使用电力的社会产值比电力的自身产值大40多倍。也就是说，该所一年的节电量可以创造社会产值约465多万元，因此可见，开展变电所经济运行意义重大。第三章 提高功率因数和变压器的经济运行在负载、有功功率不变的条件下，不同的功率因数引起变压器有功损失也不同，即随着功率因数的提高，变压器有功损失下降，功率因数和电压两个指标都是变电所重要的考核措施，提高功率因数是实现变压器经济运行的有效指标，本节对如何提高功率因数即综合控制进行分析。一 无功功率有关知识（一）基本概念在电力生产中，发电机输出的功率有两种：有功功率和无功功率，在输送和使用过程中，用于转换成机械能、热能、光能等的能量称有功功率，电路内电场与磁场交换的能量，称无功功率。有功功率和无功功率的合成量叫做视在功率，三者的关系如功率三角形。 图31 功率三角形式中S为视在功率（KVA），P为有功功率（KW），Q为无功功率（KVAR），为功率因数角。功率因数的定义：有功功率P与视在功率S之比值，用cos表示，即cos=P/S（二）无功功率与电压的关系无功功率是影响电压质量的一个主要因素，从电压损耗公式：可见，在电网结构R、X及输送有功P一定得情况下，电压损耗主要取决输送的无功数值。当电网向负载供给足够的无功功率时，负载的电压就能够维持在正常水平，若无功电源容量不足时，负载电压就会下降，无功电源容量过剩时，电压就会上升，如下图所示：QbQeQa综合无功负载UQUbUeUa图32 无功功率与电压的关系数由图可知：在Ue运行时，电源就得供给相应的Qe，若无功电源Qb不足时，电压被迫下降到Ub，若无功电源Qa过剩时，电压升高到Ua，为保持电压在Ue附近运行，要求电网必须有足够的无功电源，否则应装补偿设备，以保护无功电源与无功负载的平衡。（三）无功功率与线损的关系功率因数与线损的关系：一般情况下，在输送视在功率中，无功与有功所占比重，可以直接从各级电压网络的功率因数上反应出来。输送无功的大小主要取决于负载的功率因数的高低，负载功率因数越低，则负载所需要的无功也越大，从而使输送的无功造成有功损失增大，因此可以直接由功率因数的变化来分析和线损之间的关系。功率因数的变化与线损的关系cos2 （下降到：）0.950.900.850.800.750.700.650.60可变损失增加11%24%39%56%77%104%136%178%所以，为了降低网损，必须使无功电源合理分布，尽可能减少无功长途输送。为此应该进行无功负载的就地补偿，力争达到就地平衡，以减少负载向电网索取无功功率，这样就会使长距离输送无功功率所造成的有功功率损失减少。从而使整个电网的线损降低，实现经济运行。二 并联电容器在电力系统中的负载大部分是感性的，因此，总的电流将湛后电压一个角度O负载的电阻电流，与电压同相位，纯电感电流IL湛后电压900，如将电容与负载并联，则电容器IC超前电压900，可见电容电流与电感电流相差1800，它们能够互相抵消或抵消一部分，从而使电感电流IL减小到IL，总电流从I减少到I，功率因数将由提高到，这就是并联补偿原里。=(a)接线图(b)向量图图33 并联电容器的补偿原理三 电容器补偿的经济效益（一）降低电能损失。由功率损失公式可知，未补偿时：P，补偿后：P=，可见P P，减少了功率损失，使得每一年在线路上和变压器的电能损失下降。（二）改善电压质量。补偿前电压降U=，补偿后U=，补偿后电压降减少了，变电站母线电压提高了，或者说用户端电压得到了改善。（三）提高发、供电设备能力。由于有功功率P=S*cos2,当设备视在功率S一定时，如果功率因数cos2提高了，式子中有功功率P也会随之增大，电气设备的有功功率提高了。(四)减少企业电费支出。降低线路损耗，减少电费，功率因数cos2高于规定标准值时，减收电费。需要说明的是装设电容器以降低线损为主。调压是辅助作用，提高电压质量的最佳方法是：采用有载调压变与并联电容器，综合控制的实施才能达到既节能又改善电压的目的，不能仅靠电容量来改变电压。四 变压器补偿容量确定变电所补偿容量应满足变压器励磁无功功率和漏抗无功损耗，以及高峰时段无功负载的需要。（一）变压器是感性无功负载变压器的变压过程是借助于电磁感应完成的。在传输功率的过程中，变压器自身的无功功率损耗，远比有功功率损失大得多，在额定负载下，变压器无功损耗是有功损失的几倍甚至是几十倍，容量越大抗阻比越大，无功损耗Qe比有功损失Pe也就越大。一般=0.050.30，变压器空载时，功率因数更低（比电动机低的多），所以变压器自身需要补偿，计算公式为：一般按0.0812%，即变压器容量的8%12%抗阻比为：抗阻比=(二)高峰无功负载变电所供电区高峰时间段无功负载的需要一般按变压器容量的15%左右考虑。变电所总的补偿容量为Se的8%+15%12%+15%=23%27%（设计部门取25%30%）。全国供用电规定：无功电力就地平衡，并做到随其负载和电压变动及时投切电容器，防止无功电力倒送。变电所的功率因数一般控制在0.95以上为宜。在有功功率不变的情况下，不同的功率因数引起变压器有功损失和无功损耗也不同，即随着功率因数的提高，变压器的有功损失和无功损耗都要下降。下面举例说明提高功率因数和变压器经济运行。例9：变电所一台变压器，技术参数如下：Se=10000（KVA），PK=90（KW）,UK=8.5%，P2=6000（KW）, cos1=0.65，试求cos2=0.95时，全年节电量？解：减少有功功率和无功功率：全年节电 五 变电所电容器有载变综合控制原理变电所母线电压功率因数是两个重要指标，要随时保持安全经济运行。有时母线电压高低与无功的大小是一致的，如电压低，无功大应投入电容器，但也有些时候是矛盾的，比如母线电压较高，感性无功又很大，电容器就要强行退出，然后从电网受入无功电力，电容器不能发挥节电效果，在这种情况下，必须考虑变压器电压的调整和电容器投切得问题，实行联控，努力做到保证供电质量的条件下，使无功功率尽可能的就地平衡，需要多少补多少，在低谷负载时，不能向电网倒送无功，从而使电网输送最少的无功功率，使线损率也最小，实现节电目的。（一）电容器有载调压变综合控制原理根据变电所母线电压允许波动范围（上限、下限）和功率因数（上限、下限）考虑的要求，同时考虑电容器投切和变电器电压调整进行综合控制。根据两个指标的允许上、下限，划分为9个工作区域（称九区域控制法），中间区为最佳工作区，其余八个区为不正常工作区，通过联控，使不正常工作区进入最佳区运行，达到节电运行的目的。图34 变电所电容器调压变综合控制原理图注：U、U为变电所母线电压考核的上、下限值。、为变电所母线功率因数考核的上、下限值。调头为调整变压器的分接头。投C为电容器投入运行。切C为电容器退出运行。佳 为最佳工作区，为不正常工作区。（二）控制程序：区：U、，优先投C，后调头升压，进入佳区。区：U、，优先调头升压，后强切C，进入佳区。区：U、，优先调头升压，后切C，进入佳区。区：U、，优先投C，后调头，进入佳区。区：U、，优先切C，后调头，进入佳区。区：U、，优先调头降压，后投C，进入佳区。区：U、，优先调头降压，后强切C，进入佳区。区：U、，优先切C，后调头降压，进入佳区。论文结论：综上所述，本论文变电所经济运行的理论适用于企业、地区等各种类型的变电所，主变压器、配电变压器，对各种运行方式实现节电运行的方法也很广泛，节电效果非常明显。首先，充分利用现有设备条件，通过详细的分析和严密的计算，选择技术参数好的变压器和经济运行方式运行