变压器容量的节能配置

随着国民经济的飞速发展, 对电力需求快速增长, 电力建设也加快步伐, 但能源的过度消耗加剧了环境的恶化, 节能减排的呼声也越来越强烈, 作为国民经济支柱的电力行业首当其冲。电力在输送的各个环节均存在不同程度的损耗, 而变压器广泛配置在各个环节中, 一般来说, 从发电到用户需要经过3~5次的变压过程, 电能穿过变压器时要产生有功功率和无功功率的损耗。由于变压器的数目多, 总容量大, 所以在广义电力系统运行中, 变压器总的电能损耗约占发电量的10%左右。对全国来说, 意味着全年总的电能损耗为2500多亿度, 相当于三个中等省份用电量之和, 如果在这些损耗中节约10%, 折算成碳排放相当于2492.5万吨的二氧化碳。

变压器损耗包括空载损耗和负载损耗, 随着变压器的制造技术的发展, 两种损耗都有大幅下降, 但是, 在变压器的发展过程中, 磁性材料的制造技术方面取得更快的进展, 这就导致空载损耗的下降速度远远超过负载损耗的下降速度。因此, 在电网规模不断扩大的趋势下, 合理的配置变压器容量, 降低变压器损耗, 提高供电能力和供电质量, 对于节约能源、缓解电力短缺、保护生态环境、加速国民经济发展都具有十分重要的意义。

1 变压器容量选择存在的问题

变电容量和台数是影响电网结构、供电可靠性和经济性的重要因素, 因此变电站容量和变压器台数是电网规划中必须决策的问题。长期以来, 在变压器容量的配置设计中, 强调系统的安全运行而忽视了经济运行, 仅根据最大负荷来配置变压器容量与台数, 这不仅造成变压器损耗过大, 也在一定程度上降低了供电能力和供电可靠性。如果按照变压器在最大负荷时效率最高来选择容量, 则只是在变压器输出功率恰为最大负荷时效率最高, 但变压器并不是时刻保持满负荷运行。

目前, 变压器容量配置的常用方法包括:“手册”法、按年费用选择变压器容量、最佳负荷系数法。“手册”法只是从满足负载容量要求的角度提出的, 其经济效益要从节约资金和节约能源两方面加以综合比较;从年费用的角度选择变压器的容量考虑了一次性投资费用和年运行费用, 但较少考虑供电可靠性和节约能源的要求;采用变压器的最佳负荷系数βzj选择变压器容量是以变压器效率最高为出发点, 公式如下:

但是从实践经验不难看出, 供电系统运行时变压器容量偏大, 一次性投资就会增加。通过变压器效率的曲线可以知道:当变压器负荷系数在β=βzj点运行时其效率为最高;当β>βzj时, 随β的增加其效率下降缓慢;而当β<βzj时, 随β的下降其效率下降较快, 通常为β>βzj时下降速率的4倍左右。在工业企业中, 由于各种因素的影响, 变压器负荷率变化时, 其β<βzj时运行概率较β>βzj时大得多。由此可见, 用βzj来选择变压器容量并不能达到满意的效果。

2 按功率损耗最小选择变压器容量

对于双绕组变压器, 有功功率损耗为:

式中:P0为变压器空载有功功率损耗, 也称为铁耗;Pk为变压器的短路有功功率损耗, 也称为铜耗;β为变压器的负荷系数, 即变压器的计算负荷与其额定容量之比, β=S/SN。

变压器的有功功率效率为:

式中:cosφ2为变压器低压侧的功率因数。

当铜耗与铁耗相等时, 变压器的效率最高, 因此, 变压器有功功率效率最高时的负载率为:

变压器最高的有功功率效率为:

分析式 (3) 、 (5) 可知, 欲提高变压器运行的效率, 制造厂应尽量降低P0和Pk的绝对值, 电力用户应尽可能地提高功率因数。变压器的变压过程是借助电磁感应实现的, 它相当于一个感性无功负荷, 因此, 变压器在运行中, 除损耗有功功率外, 还存在无功功率损耗, 并且无功功率损耗远大于有功功率损耗。变压器空载时电源侧的励磁功率损耗为:

式中:S0为变压器空载试验时电源侧的视在功率;I0%为变压器空载电流的百分数

同样, 变压器额定负载时所消耗的漏磁功率为:

式中:Sk为变压器在短路试验时电源侧的视在功率;Uk%为变压器阻抗电压的百分数。无功电流通过变压器时, 也会造成变压器消耗有功功率。为了计算方便, 将无功功率折算为有功功率, 引用无功功率的经济当量K, 它是每减少1kvar无功功率消耗时, 导致连接系统有功功率损耗下降的数值, 单位是kW/kvar, 它的数值取决于从发电厂至电力用户的送电距离、电压变换次数, 电网无功补偿情况。大致的估值, 35kV~100kV降压变压器, K值取0.1, 6kV~10kV降压变压器, K值取0.15。变压器的综合功率损耗为:

考虑变压器有功功率、无功功率损耗综合效率最高时的负载率为:

通过比较可以发现, 选的变压器功率损耗最小, 比按功率效率最高时的负载率选择变压器容量大一个容量等级。因为同一型号的变压器的最高效率是随着其容量的增大而略有增加, 每上升一个容量等级, 其有功功率的最高效率也会平均增加。在某一负载下, 选某一级容量最高, 但比选大一级容量, 它虽不是功率效率最高, 仍比其选小一级容量时的功率效率还是高。另一方面, 变压器的容量不是连续的, 而是离散的, 按连续函数求极值的方法是不严密的。

3 结语

按功率损耗最小选择变压器容量, 既解决了按功率效率最高的负载率选择变压器容量的不足, 同时还解决了变压器的容量是离散的数值, 而每一型号的每一种容量在功率损耗最小时有一定范围的负载数值。节能与经济性是选择变压器的两个基本原则。选择变压器的方法也不是一成不变的, 有时适当牺牲一点效率选择变压器容量的思路也是可取的, 目的也是为了节能与经济性的相对统一。

摘要：电气节能主要包括五个方面:变压器节能;减少线路损耗;提高系统的功率因数;照明节能;电动机节能。电力系统含有大量的变压器, 在广义的电力系统运行中, 变压器总的损耗大概占发电量的10%, 变压器容量的合理配置对降低变压器损耗具有积极的意义。本文简述了变压器容量选择存在的一些问题, 并重点介绍了按功率损耗最小选择变压器容量的方法。

关键词：变压器,容量,选择,节能