变电站主变经济运行效益探析

向萌，韩忠晖，谢晓骞，张可人，张磊

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007)

变电站主变经济运行效益探析

向萌1，韩忠晖2，谢晓骞2，张可人1，张磊1

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007)

通过阐述停运1台主变运行方式的原理，探讨主变有功损耗和经济运行临界负载计算公式，根据电网实际运行数据对变电站采取不同运行方式进行损耗对比和效益分析。以湖南省永州地区为例，统计分析地区220 kV各变电站负载情况，长时间轻载运行的变电站可在某些月份停运1台主变，计算因节省主变空载损耗而带来的经济效益，为地区电网的经济运行提供参考。

主变压器；节能；降损；经济效益；电网安全

变压器是电网中的关键电气设备，从电能的生产、变换、输送、分配到使用的过程中，需要经历数次电压变换，期间主变自身产生的电能损失占主网损耗的比重较大。因此，可考虑在适当的情况下停运1台主变来挖掘主网节能降损的潜能〔1〕。

截止2014年12月底，湖南省永州地区含双主变的220 kV变电站共有8座，220 kV变压器16台，容量共计2 340 MVA。根据2014年220 kV变电站的负荷数据统计，永州地区某些变电站供带负载较小且变压器连续长时间处于轻载运行，在春秋季尤为明显。这些长期轻载运行的变压器的空载损耗对整个电网的经济运行产生一定影响。文中就变压器的经济运行理论来分析永州地区电网变压器的有功功率损耗，讨论其主变经济运行方式。

1 停运1台主变原理说明

变压器的损耗主要是空载损耗和负载损耗。空载损耗又叫铁损，与负荷大小无关，随电压波动而变化，在正常运行时空载损耗基本不变。负载损耗又叫铜损，跟负载电流的平方成正比。

变电站 (共2台主变)全站负载较轻时，1台主变单独运行变压器总损耗较小；全站负载较重时，2台主变并列运行变压器总损耗较小。当1台主变单独运行的总损耗等于2台主变并列运行的总损耗，变电站的所带负载为变电站的经济运行临界负载。

图1中2条曲线为某变电站变压器总损耗与负载关系示意图，其中一条为单主变运行，另一条曲线为双主变并列运行。A点对应的负载为2台主变并列运行变为1台主变单独运行的经济运行临界点。当全站负载小于A，采用单主变运行较经济；当负载大于A，采用2台主变并列运行较经济。

图1 某变电站负载与损耗曲线图

综上所述，当变电站处于轻载运行状态，全站负载小于临界点负载时可考虑停运一台主变。将停运一台主变而节省的主变空载损耗乘以停运的时间可以估算出节省的电量大小。

2 主变经济运行计算公式

2.1 主变有功损耗理论计算式

变压器的有功损耗等于空载损耗与负载损耗之和。主变的铭牌上一般给定的是高—中、高—低、中—低的主变短路损耗，需要换算到高、中、低压侧， 见式 (1) — (4)〔2-3〕。

式中 P0为变压器空载损耗，ΔP1，ΔP2，ΔP3分别为变压器一次侧、二次侧、三次侧绕组的负载损耗(kW)；β1，β2，β3分别为变压器一次侧、 二次侧、三次侧绕组的负载系数；S1，S2，S3分别为变压器一次侧、二次侧、三次侧的负载视在功率(kVA)；Pk1，Pk2，Pk3分别为变压器一次侧、二次侧、三次侧额定负载损耗 (kW)。

以上适用于三侧绕组容量等于变压器额定容量。如果中侧、低侧绕组的容量仅为变压器额定容量的50%，则需要将厂商提供的短路损耗先归算后再计算。

2.2 临界负载工程计算式

2.2.1 1台变压器运行损耗

令三绕组变压器二次侧绕组负载分配系数为C2，三次侧绕组分配系数为C3，则有:

则

不考虑损耗的情况下，工程上近似认为变压器一次侧的负载等于二次侧加三次侧的负载，即式(7)。式 (8)为三绕组变压器有功损耗工程计算式，可见变压器的有功损耗与负载的关系为一条向上的抛物线，与y轴的交点为变压器的空载损耗。

2.2.2 2台变压器并列运行损耗

式中 S1A，S1B为A，B 2台变压器一次侧的负载功率；S1为变电站一次侧的总负载视在功率，(kVA)；SA1N， SA2N， SA3N， SB1N， SB2N、 SB3N为A，B变压器各侧的额定容量。A，B 2台变压器的阻抗电压标幺值相同时，各变压器分担的负载根据各自额定容量的大小成比例分配。此外，A，B 2台变压器的阻抗电压标幺值不同，则按照式 (10)分配。

2.2.3 计算临界负载 (经济运行点)

当1台主变单独运行的总损耗等于2台主变并列运行的总损耗时，此时变电站的所带负载为变电站的经济运行临界负载。

由ΔPA，B=ΔPA，可以求得变压器A，B 2台并列运行转为变压器 A单独运行的临界负载以此类推，3台变压器并列运行转2台并列运行的临界负载收集各变电站的每台主变铭牌参数，按照以上损耗计算公式利用matlab软件编程，导入主变铭牌参数计算得出每个变电站停运一台主变的临界负载。

2.3 数据统计分析

2.3.1 负荷数据统计

根据全年8 760 h的负载情况，利用matlab软件编程统计每个变电站的月均负载率、月最大负荷、月最小负荷、全年全站负载率 [0%，10%)占比、负载率 [10%，30%) 占比、负载率[30%，60%)占比、负载率 [60%，80%)占比、负载率 [80%，100%]占比、负载率大于100%占比等一年内的全站负载信息。

2.3.2 考虑停运1台主变

文献 〔4〕提到电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为3级，第1级标准中提到受端任一台变压器故障退出运行，必须保持电力系统稳定运行和电网的正常供电，其他元件不超过规定的事故过负荷能力，不发生连锁跳闸。文中不就电力系统的运行方式做安全分析，仅考虑停运1台主变后变电站能否承受该站统计负荷的年最大值以及月均负载是否小于临界负载。

变电站某月采取2台变压器并列运行转为1台变压器单独运行 (或3台并列运行转为2台并列运行、3台并列转为1台单独运行)必须同时满足2个条件:①全站月均负载率小于此变电站的经济运行临界点；②全站月度最大负荷小于采用经济运行方式后的全站变压器总容量 (若变压器容量不等，优先减去容量较小的变压器，由容量较大的变压器供带全站负荷。)

2.3.3 经济效益估算方法

统计分析变电站全年中可以停运1台主变的月份，按照减少1台变压器的空载损耗来估算当月节省的电量，计算采用经济运行方式后全年节省空载电量大小。按照变电站节约空载损耗而全年节约电量大小，可估算1年对应最大可减少的损失金额(每度电价可按居民售电电价)。

变电站停运一台主变节约空载损耗电量的计算公式为:

式中 P0为单台主变空载损耗，T为单台主变停运小时数。

3 实例分析

以永州地区锰都变电站为例:锰都变电站含有2台180 MVA的主变，供电用户性质为高耗能冶炼、乡镇用电，负荷性质为二级，主变全停将导致六级电网事件。

由主变铭牌参数、负载分配系数等信息计算得出锰都变电站的2台变压器转为1台变压器的经济运行临界点为30.16%。即当锰都变的负载小于108.58 MVA(即30.16%×2×180 MVA)时，锰都变由2台并列运行转为单台变压器供电的损耗较小。

由锰都变电站2014年8 760 h的负载数据情况分析得出锰都变电站的负载信息。2014年锰都变电站月均负载率见图2，月最大最小负荷见图3，负载区间分布见图4，每月最大节省的电量见图5。

图2 锰都变电站2014年月均负载率

图3 锰都变电站2014年月度最大最小负荷

图4 锰都变电站2014年负载分布区间图

图5 锰都变电站2014年月度最大节省电量

由图2可见锰都变全年的月均负载率都在12%以下，从图3可见2014年全站的最大负荷在12月，且全站负荷最大值小于单台主变容量。从图4中可以看到全站负载率在0～10%之间的时间占比高达94.06%，负载率在10%～30%占比为5.92%，负载率在30%～60%占比为0.01%，其他区间为占比均为0。因此锰都变电站全年的负载率都小于该站的经济运行临界点。

表1列出了锰都变电站的2台主变参数。参考停运一台主变的条件，锰都变电站可考虑全年采取单台主变运行。在锰都变总负载5%，10%，15%，20%，25%和30%时，计算锰都2台主变并列运行改为1台主变运行后综合考虑铁损和铜损后的损耗，见表2。

表1 锰都变铭牌参数

表2 锰都变不同运行方式下综合损耗对比

从表2可见，锰都变随着负载率的增加，由两台并列改单台运行而节省的综合损耗在减小，在30%左右趋近于相等。

由于锰都变电站全年的月均负荷很小，2014年均负载率仅5.10%，由表2可知锰都负载率在5%时，2台变1台而节省综合损耗约90 kW，与单台变压器的空载损耗数值相近。因此，工程上可采用停运1台主变而减少的空载损耗来计算节省损耗的方法来估算最大可能节省的损耗。

若采用估算方法，计算2号主变退运而节约的空载损耗。锰都2号主变的空载损耗为93.6kW，即全年停运2号主变的节省的空载损耗折合成电量为93.6 kW×365×24 h=819 936 kWh。售电价按照居民用电0.588元/kWh计算，最大减少损失约48万元。

4 地区总体效益分析

根据永州地区含双主变的220 kV变电站的主变参数和2014年负载数据，计算永州220 kV变电站最大可节省的空载电量大小和对应减少的损失金额，见表3。

表3 永州地区220 kV变电站停运1台主变效益分析

虽然各个变电站的主变型号不尽相同，但是经济运行点大都在 30%～40%之间，平均值为32.83%。即2台主变并列运行转为1台主变单独运行后，负载率为60%左右，此结果亦对应了变压器运行效率最高点。

若仅从变电站供带负荷的轻重载角度和变电站的节约损耗大小出发，从表3中可以得出永州地区的220 kV变电站均存在可考虑采取停运1台主变的月份，且主要集中在春秋季节，部分变电站甚至可考虑全年采取停运1台主变的措施。根据节约的空载损耗折合的电量价值，估算出地区全年最大可以节约损失约为255万元，平均到每个站约为31万元。

值得一提的是，此处计算出来的减少损失金额为估算金额，为工程方法估算出来的最大可能值。因各变电站的年均负载不尽相同，在实际情况中停运1台主变而减少的综合损耗比用空载损耗估算出来的数值会小一些。负载率越小，工程估算值与综合损耗计算值越相近。

采用此种运行方式在带来经济效益的同时，地区电网却隐藏着一定的安全隐患。单独运行的变压器突发故障后若备用变压器不能及时投上，造成的电网事件将不容小觑。

5 工程考虑

若在工程实践方面须确定变电站采取停运1台主变的方案应从各种角度多加考虑〔5-6〕:

1)运行方式:若某站在一段时间内采取停运一台主变的经济运行方式，须提前做好整站全停事故预案，考虑负荷转供、备自投等应急方案，计算潮流转移对电网的影响和预计最大损失负荷大小。

2)继电保护:根据一次接线方式、负荷性质等因素研究主变备自投的方式和定值整定，研究对稳控策略的影响、对主变接地方式的影响及对主变保护的影响等。

3)设备状态:对于健康运行的主变应根据《电力变压器运行规程》考虑主变的长期负载电流限值、急救负载电流限值及油温限制等因素，对于特殊变压器 (如部分存在隐患的变压器)的管控应建议不纳入双台改单台的范围。

6 小结

文中以湖南永州地区的变电站考虑停运1台主变为切入点，详细阐述了主变经济运行的效益分析原理和工程方法。现场的运维管理人员对于具体变电站的主变经济运行应兼顾运行安全和经济效益，通过理论分析，再结合实际负荷和现场运行情况，综合考虑运行方式、保护整定、运行状态、丰枯季节及设备检修等众多因素，实现综合的效益评估。

〔1〕 胡景生.变压器经济运行 〔M〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔2〕刘春，刘大鹏.东丰变电站主变压器经济运行分析 〔J〕.吉林电力，2013，41(2):35-37.

〔3〕王正风.变压器的容量选择与经济运行 〔J〕.变压器，2006，43(3):30-32.

〔4〕中华人民共和国国家经济贸易委员会.电力系统安全稳定导则:DL 755—2001〔S〕.北京:中国电力出版社，2001.

〔5〕赵平山.电力变压器经济运行 〔J〕.河南电力，1996(1): 31-35.

〔6〕林小汇，邱惠.变电站主变经济运行方案 〔J〕.湖北电力，2006，30(4):29-30.

Economic analysis of a main transformer outage

XIANG Meng1，HAN Zhonghui2，XIE Xiaoqian2，ZHANG Keren1，ZHANG Lei1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China)

The paper expatiates the principle of a main transformer outage，and discusses the formula of main transformer active loss and economic load.According to the power grid operation data，the loss is compared and benefit is analyzed considering different operation mode of transformer substation.The paper gives example of Yongzhou in Hunan，making the statistical analysis of region 220 kV substation load.Considering shutting down a main transformer in certain months for the substation carrying light load in a long time，the paper calculates the economic benefits for saving the no-load loss for a main transformer，which provides references for economic operation of the regional power grid.

main transformer；energy conservation；loss reduction；economic benefits；grid security

TM63

A

1008-0198(2016)04-0013-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.004

向萌(1988)，女，硕士，助理工程师，主要从事在线安全稳定分析工作。

韩忠晖(1983)，男，硕士，工程师，主要从事变电运维工作。

谢晓骞(1983)，男，硕士，工程师，主要从事调度运行分析工作。

张可人(1983)，男，硕士，工程师，主要从事线损管理工作。

张磊(1991)，男，硕士，助理工程师，主要从事电力系统分析工作。

2015-11-20 改回日期:2016-03-02