配网变压器节能改造技术和方法探讨

程乐峰，陈艺璇，余涛（华南理工大学电力学院，广东省 广州市 510640）



配网变压器节能改造技术和方法探讨

程乐峰，陈艺璇，余涛
（华南理工大学电力学院，广东省 广州市 510640）

摘要：当前国内大面积推广使用节能型变压器，基于此，对国内外的变压器的节能技术和方法进行了详细的综述，包括优化变压器材料、变压器结构改造、变压器全寿命周期管理、加强变压器状态检修、变压器容量的合理选择、变压器的经济运行和采用无功补偿装置等，并给出了变压器运行方式经济切换法进行节能计算的实例，与变压器传统运行方式耗能进行了对比，证明了当前传统运行方式的节能潜力，同时给出了变压器无功补偿节能效益计算实例，表明从无功补偿的角度进行节能的必要性。探讨了当前变压器节能方法研究的薄弱环节，并对未来研究方向做出展望。分析得出专线用户企业尤其是高耗能企业应尽快推广使用新型节能变压器，充分挖掘节能潜力，提高生产效益。

关键词：配电网；节能改造；新型变压器；变压器经济运行；最佳容量选择；优化变压器材料

本文引用格式：程乐峰，陈艺璇，余涛.配网变压器节能改造技术和方法探讨［J］.新型工业化，2016，6（6）：23-38.

Citation： CHENG Le-feng， CHEN Yi-xuan， YU Tao.Discussion on Energy Conservation and Reconstruction Techniques and Methods of Distribution Transformers［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 23-38.

0 引言

能源是国民经济可持续发展、提高人民生活水平和促进社会进步的重要物质基础。电能在全国能源总额中占据着重要的地位，电能损耗在能源损耗中的更是不可小觑。

变压器作为电力系统运行的主要设备之一，在电能生产、输送、调度分配过程中起到非常重要的作用，文其运行效益直接影响到整个电力系统的成本和效益［1-4］。在配电网中，增加配变布点的要求使得配电变压器的数量非常庞大，其容量远远超出发电机的总容量。加之变压器输送电能多、运行时间长，变压器产生的电能损耗相当可观。据统计，从发电到用电所经历的3～5次的电压变换过程中，变压器所产生的总电能损耗可占发电量的10%左右［5］。因此，变压器节能的研究是十分紧急且必要的。

目前，在变压器节能方面，国内外学者已进行了相关研究。在这些研究中，优化变压器的材料、低电阻及导磁性好的材料越来越广泛的应用在变压器制造中，很大幅度的减少了变压器的损耗［6-8］。文［9］提出了变压器结构优化法，将铁芯结构由原来的直接缝改为半直半斜和全斜接缝，或适当调整硅钢片和电磁线的比例，可以大幅降低空载损耗和负载损耗。此外，文［10］深入研究对称三角形结构的圆截面三相卷铁芯变电压器，对变压器铁芯结构进行了进一步优化，使材料的优良性能得以最大化发挥。大量的理论研究推翻了传统的变压器负载率越高越好的认知，提出了变压器最佳负载率的概念［11］。

从变压器绝缘寿命评估的角度出发进行变压器全寿命周期管理，从而实现对变压器节能改造提供思路和方法，其中，文［12］综合考虑变压器运行的可靠性和经济性，对变压器进行运行状态和绝缘寿命评估，分析其全寿命周期成本和运行风险，进而制定恰当的运行维护和状态检修策略，以提高电力企业的精益化管理水平。通过对变压器的全寿命周期管理，制定合理的变压器维护和检修策略，评估变压器的运行状态，减少过度维修造成的巨大资源浪费，从寿命全周期管理的角度实施变压器节能改造，而笔者曾就变压器的状态检修和寿命评估做了一些研究［13］，提出选取变压器油纸绝缘系统作为评估的对象，取热点温度（HST）为核心点，结合威布尔分布（Weibull）和阿列纽斯（Arrhenius）反应定律，建立了基于HST的变压器老化故障模型，并使用油中溶解气体分析数据，结合灰色理论对模型进行修正，确保评估值能反映变压器的实际可靠性水平，从而基于对变压器寿命评估的动态修正来对变压器的全寿命周期的管理，提前跟踪观察变压器可能出现的油高温、油击穿等故障，从另一个角度，通过提高变压器检修效率，及时追踪变压器实时运行状态，为实施变压器节能改造提供重要的思路和基础。

文［14］提出了考虑实际运行、无功损耗、投资回报时的最佳负载率的求解方法，借助这些值可以挑选出容量最合适的变压器。该文从变压器状态检修的角度出发，基于监测和诊断技术，通过各种检测手段来正确判断变压器的当前状态，对变压器进行寿命管理，形成有效的寿命评估，减小维修成本［14］，提高电力变压器的设备利用率，实现变压器的安全经济运行，这对于变压器的节能降耗具有重要的参考作用和指导意义。

除了文［14］提到的方法外，变压器的最佳容量选择问题还可通过综合能效费用法来解决［15-17］：通过计算分析各可行技术方案下的变压器的综合能效费用，确定出总费用最少的方案即认为是最优。变压器经济运行理论也在不断成熟：实际负载率的不断变动，使得变压器的经济运行区间研究比变压器最佳负载率的研究更具实际意义［18-21］；多台变压器存在着不同的运行方式的组合，文［22］提出了在不同的负荷容量下变压器间最佳组合方式的确定方法，为了防止切换动作过于频繁，文［23］结合负荷预测方法提出了更具实际意义的时段分析法，提前确定变压器投切次数，兼顾了节能性与安全性。当变压器总用电负载不变，运行方式也不变时，通过变压器负载的经济分配也可以实现经济运行［24，25］。此外，对变压器负载端的无功功率进行补偿，提高变压器的功率因数，也可以大幅减少变压器损耗。传统的无功补偿装置法［26-30］与新型的配电变压器一体化静止无功补偿技术［31］均可以实现对变压器负载端进行无功补偿。

本文分析了变压器功率损耗的来源，将国内外现有的变压器节能方法和技术进行了综述研究，并选取其中的一种方法进行了详细的算例分析，通过将变压器传统运行方法下的耗能与变压经济运行方法下的耗能进行对比，分析得出变压器在传统运行方式下存在这巨大的节能潜力。最后，本文指出了当前变压器节能研究领域存在的薄弱环节，对今后的研究方向做出展望，并指出应尽快大面积推广使用新型节能变压器，尤其是对于专线用户的高耗能企业。

1 变压器损耗分析

变压器的功率损耗分为有功功率损耗和无功功率损耗。变压器的有功功率损耗和因其消耗无功功率而使电网增加的有功功率之和为变压器的综合功率损耗。综合功率损耗的表达式为［1-3］：

式中，P0Z为空载综合损耗，单位为kW，P0Z=P0+kQ0；P0为空载有功损耗，单位为kW；Q0为空载无功损耗，单位为kW，Q0=I0%SN×10-2；PKZ为额定负载综合损耗，单位为kW，PKZ=PK+kQK；PK为负载损耗，单位为kW；QK为短路无功损耗，单位为kvar，QK=UK%SN×10-2；β为变压的负载率，β=S/SN；S为变压器负载容量，单位为kVA；SN为变压器的额定容量，单位为kVA；k为无功经济当量，单位为kW/kvar。

1.1 变压器的有功功率损耗［5］

变压器的有功功率损耗分为空载损耗和负载损耗。空载损耗（又称作铁损）包含涡流损耗和磁滞损耗；负载损耗（又称作铜损）包含电阻损耗和附加损耗。

空载损耗是与负载大小无关的固定损耗，通常容量越大的变压器，其空载损耗越大。其中，磁滞损耗是由于交流电流通过变压器时，由于通过硅钢片的磁力线方向和大小在不断变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦放出热能而形成的电能损耗；涡流损耗是感应电势在闭合回路上形成的涡流使铁芯发热而形成的。

负载损耗中，电阻损耗是指变压器线圈电阻所引起的损耗，与负载电流的平方成正比。由于变压器短路时的一次侧短路电压UK很小，在铁芯中产生的有功功率损耗可以忽略不计，故变压器的短路损耗△PK可以认为是铜损；附加损耗主要由变压器漏磁引起，包括绕组涡流损耗、并绕导线损耗的环流损耗以及结构损耗等。

1.2 变压器的无功功率损耗

变压器的变压过程是借助于电磁感应完成的，在变压器传输功率的过程中，变压器自身的无功功率损耗远大于有功功率损耗。变压器的无功功率损耗一部分由建立变压器主磁通的励磁电流引起，这部分无功功率损耗与负载电流无关，为一恒量；另一部分由变压器绕组上的电抗及流经绕组的电流组成，这部分与负载电流有关［5］。

变压器无功功率损耗可以由下式计算：

式中，I0%为变压器空载电流占额定电流的百分值；UK%为变压器短路点压占额定电压的百分值；S30为变压器的计算负荷；SN为变压器的额定容量。

2 变压器节能方法和技术简要综述

变压器节能的重要性使得变压器节能方法成为目前的研究热点。针对变压器损耗的来源不同，变压器节能方法分多种：通过优化变压器的导磁材料改变来变压器的损耗特性，能够从根源上减少变压器的空载损耗和负载损耗。尤其是以非晶体合金为铁芯材料的变压器能够大幅减少变压器空载损耗，具有非常好的节能效果；为了使优质材料的优良性能得以最大化发挥，必须要通过合理的变压器结构设计，对变压器结构进行改造，可以达到减少损耗和节省材料的双重目的；借助变压器的最佳负载率或采用综合能效费用最小的原则可以合理选择变压器容量，从而有效防止变压器容量选择过大或过小，减少运行成本，提高节能性与经济性；在变压器选定之后，可采取变压器经济运行的方案来安排运行，包括使变压器工作在经济运行区间、变压器各种运行方式间的经济切换、变压器负载之间的经济分配等。采用这些方案，能够提高变压器的运行效率、减少变压器的运行损耗，实现变压器节能的目的；采用无功补偿的方法，使变压器的无功功率从负载处得到补偿，可以减少变压器的无功功率损耗和综合功率损耗。无功补偿方法包括采用传统的静止无功补偿器SVC、静止无功发生器SVG、有源滤波器APF等装置来进行，也可采用新型配电变压器一体化静止无功补偿技术来实现高、低电压等级交汇点处的无功功率及电能质量的综合补偿控制。

2.1 优化变压器材料

变压器是通过电磁感应来改变网络电压的，导磁材料质地的优劣，直接影响变压器的损耗特性。因此，优化变压器的材料是一种重要的变压器节能措施。在减少空载损耗方面，硅钢片在不断的被改进与发展。目前用于铁芯导磁材料的硅钢片普遍厚度为0.23～0.30mm，0.18mm厚的硅钢片已经开始被使用，厚度更薄已经成为硅钢片未来的发展趋势［6］。另外，非晶合金材料的应用，也促进了变压器的发展。非晶合金铁芯变压器与硅钢片铁芯变压器相比，空载损耗可降低70%。文［7］将非晶体合金铁芯变压器、节能型S11变压器的损耗进行对比分析，得出非晶体合金为铁芯材料的变压器在降低空载损耗方面的比节能型S11变压器更具有优越性的结论。在减少负载损耗方面，新型低电阻材料成为研究的热点。无氧铜导线和电工铝导线，可使电导率分别提高到电解铜和工业铝导线的109%和104.2%，在节能变压器中得到了广泛应用。此外，利用超导材料超过临界温度之后失去电阻的特点所研发的超导变压器不仅可以降低变压器的损耗，还可以提高变压器的抗短路性能［8］。

2.2 变压器结构改造

降低损耗仅仅采用导磁性能高的材料是不够的，必须改进变压器结构，使得材料的优良性能得以充分发挥。变压器的结构改造是指通过优化变压器结构达到节省材料、减少损耗的目的的方法。将铁芯结构由原来的直接缝改为半直半斜和全斜接缝，可以使得铁芯接缝区的导磁方向得到缓和，降低空载损耗；适当调整硅钢片和电磁线的比例，减少电流密度，可以大幅度降低负载损耗［9］；新型的卷铁芯变压器由于几乎没有叠积接缝，连续卷绕又充分利用硅钢片的取向性，且成自然紧固状态，避免了因夹紧而引起的损耗增大。与传统的叠积式铁芯变压器相比，卷铁芯变压器不仅在材料上节省，并且其空载损耗比叠积式铁芯变压器的空载损耗降低了20%～35%，空载电流降低了60%～80%［6］。在此基础上，文［10］进一步对卷铁芯变压器进行优化，提出了对称三角形结构的圆截面三相卷铁芯变电压器。此种新型变压器的三相铁芯磁路完全对称，铁轭大幅缩短，磁阻大大减小。并且铁芯无接缝，芯柱填充系数高，性能显著提高，是目前最理想的高效、节能、环保型变压器。

2.3 合理选择变压器容量

变压器的容量是在选择变压器时的重要参数。如果变压器容量选择过大，会增大变压器的投资，也会增大变压器的空载损耗，增加变压器的运行成本；如果变压器容量选择过小，会增大变压器损耗，甚至导致变压器长期过载，加速绝缘老化从而缩短变压器使用寿命。因此，合理选择变压器容量具有十分重要的节能意义与经济意义。此问题主要有以下两种解决方法：借助变压器负载率来选择变压器容量［11，14，15］或采用综合能效费用最小的原则来选择变压器容量［16，17］。

变压器的负载系数β定义为：

针对此，文［14］提出了更合理的最佳负载率的求取方法，即考虑负荷实际运行情况下，最佳负荷率求取公式为：

式中，P0为变压器的空载损耗，单位为kW；PK为变压器的短路损耗，单位为kW；τmax为最大负荷损耗小时数，单位为h；T为全年使用小时数，单位为h。

考虑无功损耗情况下，最佳负荷率求取公式为：

式中，Q0为变压器空载时电源侧的励磁功率（无功空载损耗），单位为kvar；QK为变压器额定负载时所消耗的漏磁功率（无功负载损耗），单位为kvar；k为无功经济当量。

考虑变压器的投资回收的情况下，最佳负荷率的求取公式为：

式中，k1为由价格折算为功率的系数（当电价取0.5元时，k1取2）；kp为折算的现值系数，kp=［1-1/（1+i）n］/i，i为年利率；Se变压器额定容量，单位为kVA。

同理，按照上述方法求得更合适的最佳负荷率之后，就可以代入式（3）来选择变压器的容量。但是由于变压器的负荷一直在变化，很难控制变压器一直工作在最佳负荷率处，在实际运行中并不能采用这种方法来选择。针对此，文［15］提出了一种按照变压器的经济区间来选择其经济容量的方法：已知变压器的经济运行区间为［βL2，βL1］，根据最大负荷选择变压器容量，条件是：

并用最小负荷来校验，条件是：

由此可保证变压器运行时不会超出其经济运行的区间，这种变压器选择的方法更具有实际意义。所述变压器经济运行区间的求解方法在下文中将会提到。

不借助变压器的负载系数的综合能效费用法是一种通过计算分析各可行技术方案下的变压器的综合能效费用，选择总费用最少的方案为最经济方案的分析方法［16，17］：首先确定变压器的类型，选择多种规格的变压器作为待选方案，再根据已知参数按照下式计算变压器的综合能效费用（TOC）值：

及变压器综合等效初始费用ZEFCP ：

式中：CI为配电变压器的初始费用；POEFC空载损耗的等效初始费用；PKEFC为负载损耗的等效初始费用。

最终，根据变压器容量选择的经济性和节能性的要求，选择TOCEFC值与PZEFC值最小的两个方案，再进一步分析比较确定出变压器在的最佳经济容量。

2.4 变压器选择经济运行方式

变压器按照优良的材料和结构制作、按照合理的容量选定之后，在实际运行中采用经济运行的方案，可以进一步减少损耗，实现变压器节能。变压器的经济运行问题涉及三个方面的研究：变压器经济运行区间、变压器运行方式间的经济切换、变压器负载之间的经济分配。在进行变压器的经济运行的研究时，可分别按照有功功率最小、无功损耗最小、综合功率损耗最小三种情况建立模型。如以节约有功电量为主，应按照有功功率损耗最小原则安排经济运行；如以提高功率因数为主，则应按照无功功率损耗最小原则安排经济运行；如两者兼顾或者以降低系统网损为主，则应按照综合功率损耗最小原则安排经济运行［18］。

2.4.1 变压器的经济运行区间

变压器的损耗是随着负荷率的改变而变化的，当空载或低负荷运行时，变压器的损耗是以铁耗为主；随着变压器的负荷增加负载损耗逐渐增大，当变压器的负荷率大于某一数值时，负载损耗又会占据主导地位。由第2.3节可知，变压器存在着最佳负荷率，在这一负荷率下运行时，变压器的综合电能损耗最小，运行效率最高。由于变压器的负荷率不能长期维持在最佳负荷率下，实际运行时常常控制变压器工作在经济运行区间内。因此，确定变压器的经济运行区间对于保证变压器的经济运行以及合理选择变压器容量都具有重要的意义。

文［18］～［20］都对变压器经济运行区间的确定方法进行了深入的研究，认为：变压器的经济运行区间的上限值应定为负载率β=1，经济运行区的下限值所对应的损耗率应与额定负载损耗率相等。运用这种方法所确定的变压器经济运行区间，能够保证变压器在实际运行时，损耗率低于额定负载损耗率，效率高于变压器在额定负载下的运行效率。

除上述方法之外，文［21］以变压器的年电能损耗△W%不超过考虑无功损耗的最佳负载系数所对应的年最小电能损耗△Wmin%的1%为约束条件来确定变压器的经济运行区间。由此得到的经济运行区间上下限所对应的负载率为：

通过这种方法，结合变压器的各级容量，可以求得以电能损耗最小为目的的适用于变压器容量选择的变压器经济运行区间：如若认为两级变压器容量极差为1.26，通过将两个容量级的变压器的年电能损耗进行比较，可以求得△W1%=△W2%时的临界负荷系数βr=0.905β0，再结合式（11）即可得到适合于变压器容量选择的经济运行区间所对应的负载率为：

按照此区间选择的变压器的年损耗将比任何一台容量变压器的年电能损耗都小，保证了节能性。

2.4.2 变压器运行方式间的经济切换

单台变压器在独立运行时，通常采取使变压器在其经济运行区间内运行的方法实现节能。但是在配电网中，还存在变压器一用一备运行、两台或多台同容量变压器并列运行、两台或多台不同容量变压器并列运行等多种运行方式。在实际运行中，常常根据负载的变化，在不同的运行方式之间进行切换，以实现综合损耗最小的目标，这就是变压器运行方式间的经济切换问题。

经济切换问题解决的关键是求得两种不同运行方式之间切换的转折点。文［22］认为此转折点的求解方法是：求出要切换的两种变压器运行方式的综合损耗△P与负载S的关系，两种关系曲线的交点所对应的负载就是两种运行方式之间进行切换的临界负载。如果此临界负载点满足不超过其满载运行点时，就可以在此点处进行运行方式的切换；如果超过，则在其运行方式达到临界负载点时，就应进行运行方式的切换。

值得注意的是，对于不同容量的变压器并列运行的情况，在求解变压器运行方式的综合损耗△P与负载S的关系时应将负载分配系数C考虑在内。

文［23］指出，若完全根据负荷变化，在经过最佳经济运行转折点时频繁的切换变压器的运行状态，这对变电站的安全稳定运行、变压器及开关的使用寿命等都具有负面影响。所以在实际操作中，考虑采用时段控制法，即根据短期负荷预报值，设置变压器的动作次数限制。结合所求得的变压器运行方式切换的理论转折点，求得兼顾经济性与实际意义的变压器经济运行方案，提前分配变压器投切次数。

2.4.3 变压器负载之间的经济分配

当变压器的总的用电负载不变，且变压器的运行方式也不变时，随着变压器间负载分配的变化，变压器总的有功损失和无功消耗也会随着改变。所以，通过对变压器间的负载进行经济分配，可以使变压器的总的有功功率损失和无功功率消耗降到最低值，以实现变压器节能的目的［20］。变压器负载之间的经济分配问题主要是借助数学方法来解决。

文［20］，［24］和［25］均构建了有功损耗△P与各自负载的视在功率S的数学关系模型，运用数学方法求解出有功损耗最小时各变压器负载经济分配系数表达式：

两台或多台容量相同的变压器间的负载经济分配系数为：

式中：Cj表示第j台变压器的负载经济分配系数；Pjk表示第j台变压器的短路损失；Pik表示第i台变压器的短路损失。

两台或多台容量不同的变压器间的负载经济分配系数为：

式中：SjN表示第j台变压器的额定容量；SiN表示第i台变压器的额定容量。

按照此表达式求得的各变压器负载视在功率即为容量分配时最经济的方案。

由式（13）、（14）可得出负载经济分配的规律：两台或多台容量相同的变压器间的负载经济分配系数，与变压器自身的短路损失成反比；两台或多台容量不同的变压器间的负载经济分配系数，与变压器自身的短路损失成反比，与变压器的容量的平方成正比。

上述经济分配方法可以达到变压器运行时有功功率损耗最小的目的，从而大幅节约有功电量。若在实际运行中以提高功率因数为主，则应按照无功功率损耗最小的原则分配负载；若两者兼顾或者以降低系统网损为主，则应按照综合功率损耗最小的原则分配负载。针对此，文［25］构建了模型，分析了无功功率损耗最小原则与综合功率损耗最小原则下的负载经济分配问题，满足了不同的运行要求，使得变压器负载之间的经济分配模型更完善。

2.5 采用无功补偿装置

由1.2.2节可知，变压器的无功功率损耗是变压器的主要损耗之一。如果可以使变压器的无功功率从负载处得到补偿，则可以有效减少变压器的无功功率损耗。文［26］通过实验，将不同负载功率、不同功率因数下的变压器损耗进行对比，证实了通过提高变压器负载侧的功率因数来降低变压器的无功功率损耗是行之有效的。因此，采用无功补偿装置在变压器的负载侧进行无功补偿，也是实现变压器节能的重要方法之一。

国内外关于无功补偿装置做出了大量研究，传统的无功补偿装置主要有［27］：静止无功补偿器SVC、静止无功补偿器SVG、有源滤波器APF等。静止无功补偿器SVC通过控制晶闸管的触发角，改变输入电网中的等效电纳，来达到调节无功输出的目的［28］，但是因为环流元件没有断流能力，使其对电网产生较多的谐波电流，而且对电网电压波动的调节能力也不够理想。针对此，基于电力电子逆变技术的无功补偿装置如静止无功补偿器SVG、有源滤波器APF就有着优良的性能。静止无功发生器SVG通过调节桥式逆变电路的交流侧输出电压相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，来产生或吸收满足要求的无功功率，从而实现从感性到容性无功功率全范围的动态无功功率补偿［29］；有源滤波器APF则以系统中的谐波电流为主要补偿目标，其中并联型APF可以产生与负载谐波大小相等、方向相反的谐波电流，从而将电流补偿为正弦波［30］，因此能够对电网中实时变化的谐波电流和无功功率同时进行动态的补偿。

除了上述传统的用于用户侧就地补偿的配电网无功补偿装置之外，针对变压器负载侧的无功补偿问题，文［31］提出了一种新型配电变压器一体化静止无功补偿技术（DT-STATCOM）。DT-STATCOM将传统的配电变压器和电力电子静止无功补偿装置相集成，综合利用配电变压器多侧的信息，实现在高、低电压等级交汇点的无功功率及电能质量的综合补偿控制。这种技术有效降低了电力电子器件的耐压要求，简化了补偿单元逆变桥的结构，可以充分的利用变压器的富余容量，提高效率，是采用无功补偿装置来实现变压器节能的新方法。

2.6 变压器全寿命周期管理

全寿命周期（Life Cycle）是指“产品从自然界获取资源、能源，经开采冶炼、加工制造等生产过程，又经储存、销售、使用消费直至报废处置各阶段的全过程，即产品从摇篮到坟墓，进行物质转化的整个生命周期［32］”。全寿命周期分析（LCA）则是一种用于评价产品在其整个生命周期中，即从原材料的获取、产品的生产、使用直至产品使用后的处置过程，对环境产生影响的技术的方法［33］。

文［12］搭建一个基于实时状态的，兼顾经济性和可靠性的变压器状态检修模型，着重关注变压器的绝缘故障诊断、绝缘寿命评估、变压器状态评估、变压器风险评估、变压器全寿命周期成本评估等关键问题，实现综合考虑技术性和经济性的大型电力变压器状态检修策略。利用全寿命周期管理的理念促使电力企业综合考虑检测费用和系统故障后确定最佳的检修方案，并采用合理的维修方式，减少设备检测和维修总费用，延长设备使用周期，保证设备的可靠性，可以恰当好处地统筹兼顾变压器安全运行的可靠性与经济性影响因素。文［12］基于全寿命周期管理的思想，从变压器的实时状态出发，综合考虑其运行及检修的可靠性和经济性，并根据变压器的状态制定状态检修策略，以全面提升精益管理和科学决策的水平，缩小与国外先进水平的差距。企业实施变压器节能改造需要关注变压器的实时运行状态，通过制定合理的状态检修策略，最大化提高变压器安全运行的经济性和可靠性，从而实现变压器的节能和改造，避免对变压器过度维修，造成巨大的资源浪费和能源浪费。笔者曾提出一种基于动态修正技术的电力变压器可靠性评估模型［13］，该模型选取变压器油纸绝缘系统作为评估对象，取热点温度（Hot Spot Temperature，HST）为问题出发点，结合威布尔分布（Weibull）和阿列纽斯（Arrhenius）反应定律，建立基于HST的变压器老化故障模型，用于描述变压器的老化过程，通过计算绕组HST求解变压器油纸绝缘系统的故障率，然后，利用变压器油中溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis，DGA）数据，结合灰色理论，对基于HST的老化故障模型进行动态修正，确保其评估值很好地跟踪并反映变压器的实际可靠性水平，通过江门供电局的数据作为实例分析，验证所建立模型的有效性。笔者提出的这种模型可辅助电力企业对变压器的运行状态进行实时跟踪，并制定合理的状态检修策略，减少变压器因为过度维修发生故障的风险，通过及时有效的运行维护，使变压器的检修效率提高，检修成本减少，可为进一步开展节能改造奠定实施基础，因此，可以从变压器全周期寿命管理的角度出发来考虑变压器节能改造，将产生一定的节能效益。

3 变压器节能算例分析

3.1 运行方式经济切换法进行变压器节能

本节选取某一有两台变压器的变电所的实际参数进行算例分析。以第2节中所提到的对变压器的运行方式进行经济切换，并对变压器的负荷进行经济分配的经济运行方式为例，求得变压器在此经济运行方式下的能耗，并与其在传统运行方式下的电能损耗进行对比分析，得出变压器在经济运行方式下的节能潜力。

表1 变电所变压器技术参数Tab.1 Substation transformer technical parameters

3.1.1 基本的参数计算

此变电所的基本参数如表1所示。

此变电所的负荷用年持续负荷曲线表示，如图1所示。

结合表1，由式（1）（其中，无功经济当量k取0.1 kW/kvar）可得，对变压器A，有：QA0=IA0%*SAN*10-2=6.4kvar，QAK=UAK%*SAN*10-2=7 2 k v a r，PA 0 Z=PA 0+k QA 0=2.1 4 k W，PAKZ=PAK+kQAK=13.7kW。则变压器A的综合功率损耗为：ΔPAZ=PA0Z+（SC/SAN）2*PAKZ。同理，对于变压器B，则为：QB0=IB0%*SBN*10-2=9.6kvar，QBK=UBK%*SBN*10-2=72kvar，PB0Z=PB0+kQB0=3.66kW，PBKZ=PBK+kQBK=18.8kW。则变压器B的综合功率损耗为：ΔPBZ=PB0Z+（SC/ SBN）2*PBKZ。

图1 变电站年持续负荷曲线Fig.1 Substation yearly sustained load curve

当变压器AB并联运行时，将变压器AB的参数代入式（14），可得两变压器的负载经济分配系数为：CA=0.369，CB=0.631。A、B两台变压器并列运行时的综合功率损耗计算为：ΔPABZ=PA0Z+PB0Z+（SC*CA/ SAN）2*PABZ+（SC*CB/SBN）2*PBKZ。

3.1.2 变压器传统运行方式耗能分析

传统的运行方式认为变压器的负载率越高运行越经济。国内大多数用户的变压器采用传统的运行方式，即两台以上的变压器运行时，只有在一台满载后，另一台才投入使用。因此，此变电所采用传统运行方式时的运行方案为：当0＜h≤3100时，安排A台变压器单独运行；当3100＜h≤7100时，安排B台变压器单独运行；当7100＜h≤8760时，安排A、B两台变压器并列运行。在此运行方式下的电能损耗ΔA传统=ΔA0＜h≤3100+ΔA3100＜h≤7100+ΔA7100＜h≤8760=9845.794+43086.141+41380.707=94312.642kWh。

3.1.3 变压器经济运行方式耗能分析

图2 三种运行方式下的综合功率损耗ΔP与负载容量SC之间的关系曲线Fig.2 The relation curves of comprehensive power loss ΔP and load capacity SCin three operation modes

由图2可知，当负载容量0kVA＜SC≤328.7kVA时，变压器A单独运行经济；当负载容量328.7kVA＜SC≤1600kVA时，变压器B单独运行经济；当负载容量SC＞1600kVA时，负载容量已经超过变压器B的额定容量，此时应安排A、B两台变压器并联运行。

因此，此变电所采用经济运行方式时的运行方案为：当0＜h≤3100时，安排A台变压器单独运行；当3100＜h≤7100时，安排B台变压器单独运行；当7100＜h≤8760时，安排A、B两台变压器并列运行。在此运行方式下的电能损耗为：ΔA传统=ΔA0＜h≤3100+ΔA3100＜h≤7100+ΔA7100＜h≤8760=9845.794+26484.734+ 41380.706=77711.234kWh。综合两种方法的电能损耗结果，采用经济运行方式时的节电百分比为：ΔA节能%=（ΔA传统-ΔA经济）/（ΔA传统）=（94312.642-77711.234）/94312.642≈17.60%。由此可得，采用对变压器运行方式进行经济切换，可以大幅减少电能损耗，具有显著的经济意义。

3.2 无功功率补偿进行变压器节能

3.2.1 无功功率消耗简析

在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，如异步电动机、变压器等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例，当然，电力系统中的电抗器和架空线等也会消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。对于一些电力电子装置等非线性装置，也会消耗无功功率，特别是各种相控装置，同时，这些装置也会产生大量的谐波电流，而谐波源都要消耗无功功率的。

无功功率对公用电网的影响主要包括：a）增加设备容量。无功功率增加会导致电流增大和视在功率增加，同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大；b）设备及线路损耗增加。无功功率增加导致总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加；c）使线路及变压器的电压降增大。如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，导致供电质量严重降低。

有功功率的波动一般对电网电压的影响较小，电网电压的波动主要由无功功率的波动引起的。电动机在启动期间，功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作，例如，电弧炉等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质量［35］。

3.2.2 无功补偿方案简介［36-45］

在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。控制无功功率的方法很多，可采用：a）同步发电机；b）同步调相机；c）并联电容器；d）静止无功补偿装置。其中，由于并联电容器简单、经济、方便灵活，已逐步取代同步调相机，而静止无功补偿装置作为一种新型的无功补偿装置，近年来不断发展，应用日益广泛。根据电容器安装的位置不同，并联电容器补偿无功功率补充通常有三种方式：

1）集中补偿：电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6～10kV母线上，用来提高整个变电所的功率因数，使该变电所供电范围内无功功率基本平衡，可减少高压线路的无功损耗，而且能够提高变电所的供电电压质量；

2）分组补偿：将电容器组分别装设在功率因数较低的车间变配电所高压或低压母线上，也称为分散补偿，这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容量和范围相对小些，但是分组补偿的效果比较明显，采用得也较普遍；

3）就地补偿：将电容器或电容器组装设在异步电动机或电感性用电设备附近，就地进行无功补偿，也称为单独补偿或个别补偿方式。这种方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。近年来，随着我国逐步具备生产低压自愈式并联电容器的能力，且型号规格日渐齐全，为就地补偿方式的推广创造了有利条件，并已有许多成功应用的实例。

若能将三种补偿方式统筹考虑、合理布局，将可取得很好的技术效益和经济效益。

3.2.3 无功补偿节能效益算例分析

以贵州省某水泥厂企业节能改造为例，对其供配电系统及所属用电设备进行节能分析，对其中6个监测点进行了测量，各监测点现场信息如表2所示。虽然该企业功率因数整体长期保持在0.92～0.95左右，每月可得到供电公司奖励，但就当天现场实际测量情况来看，有些变压器当天平均功率因数仍低于0.9（如3#3等），甚至有些低于0.8（如2#2等），因此对变压器提高功率因数还是有一定必要的，下面根据测量数据，计算将所有变压器功率因数值均提高到0.95以上所带来的节能效益［34］。

表2 监测点现场信息表（变压器）Tab.2 The field measuring points information （transformers）

式中P2为变压器有功功率，cosφ1为原功率因数的测量值，cosφ2取为补偿后的值，取0.95。

根据该式，再根据实际测量值可计算出每30s的节电电量，最后综合计算即可得当天实际通过补偿功率因数提到0.95的节能电量，可用以下公式进行计算：

以上公式中所有值均取实测数据，这样的计算是非常精确的，当然其前提是假设在测量间隔30s内，变压器负荷是没有任何波动的，这一点在工程计算中是完全可以认可的。因此根据式（15），可得30s中变压器节能电量为：

而一天中P2与cosφ1的值都是不断变化的，因此，需要将一天24小时分为每30秒一段，总共为2880段，要计算一天的节能电量，只需直接将这2880段的节能电量直接相加即可得到：

式中P2n为第n段时间时的有功功率测量值，cosφ1n为第n段时间的功率因数测量值。而这些值都是被测量仪器记录并保存下来的，可直接利用公式进行计算。

以下为当天测量记录的各测量点有功功率变化曲线与将数据导入MATLAB中绘出的功率因数变化曲线，如图3（a）～（j）所示。

直接将上述计算公式编写为MATLAB计算程序，然后将各变压器数据及测量数据代入程序中即可计算得到功率补偿对测量当天带来的节能效益，假设该测量当天即为全年平均值，则将该值乘以365即可得到无功补偿后的年节电量。可采用和Fluke435配套开发的专用软件进行计算，结果如下表3所示。

由表3可计算所测五个变压器测量点通过无功补偿的总的年节电效益约为：

年节电量=31266.4kWh；折合标煤=31266.4/10000×3.6=11.80tce；折合CO2排放量=30.92吨；节能效益=31266.4/10000×0.46=1.51万元。

观察计算结果可知，虽然节能效益并不是十分的高，但对各变压器进行无功功率补偿从节能角度而言是很有必要的，当然，具体到各厂，则需针对自身情况进行无功补偿。建议企业根据自身情况，优先对功率因数不够高的点和无功补偿节电效益较高的点进行无功补偿，以降低电能的损耗，提高能源的利用率。由于贵州该水泥厂企业配变的功率因数相对不高，无功补偿的节电率相当高，平均达到了20%左右。尽管目前由于负载率较低，绝对损耗不大，但是，当负载率较高时，绝对损耗将大幅增长，总的节能效果就非常突出了。

图3 有功功率和功率因数变化曲线Fig.3 Active power and power factor variation curves

表3 各测量点进行无功补偿后的年节电量Tab.3 Year energy saving amount of each measuring point after reactive power compensation

4 变压器节能方法展望

除了第2节中所列举的方法之外，根据影响变压器经济运行的因素，变压器节能问题还可以向下列方向展开深入研究：

（1）稳定变压器运行电压。变压器的有功损耗与电压的平方成正比，一般情况下，变压器过电压5%运行时，铁损将增加15%；过电压10%运行，铁损增加50%以上并且空载损耗也会大幅增加，即增加了电网的无功损耗。所以，应采取自动调压器等装置避免改善电能质量，变压器过电压运行。

（2）维持变压器三相负荷平衡。变压器的负荷损耗随变压器的运行负荷的变化而变化，与负荷的电流成正比。当三相负荷平衡时，变压器损耗最小；而当三相负荷不平衡时，变压器的负荷损耗等于三只单相变压器的负荷损耗之和，甚至最大不平衡状态时的损耗为平衡时的三倍。此外，低压侧的三相负荷不平衡也会造成高压侧的线路损耗。因此，采取方法或装置维持变压器三相负荷平衡也是降低变压器损耗的重要措施。

（3）降低变压器运行的温度。变压器绕组的电阻随着温度的升高而增大，温度每L降低1℃，负载损耗可降低0.32%。因此，优化变压器的温控及降温措施，对于降低变压器损耗具有重要意义。

（4）尽可能大力推广使用新型节能变压器，并开展节能改造方面的深入研究。

5 总结

在电力系统输配电网络损耗中，变压器损耗占据很大的比例，这使得变压器节能成为当前亟待解决的问题。本文基于这样的背景，对变压器的功率损耗来源进行分析，对当前国内外变压器节能的方法和技术进行了简要的综述，具体包括：优化变压器材料、变压器结构改造、变压器容量的合理选择、变压器全寿命周期管理、变压器的经济运行和采用无功补偿装置等。

然后，文章通过选取变压器运行方式经济切换的方法和无功功率补偿的方法进行变压器节能分析和耗能计算，发现采取变压器运行方式经济切换方法可比传统运行方法节能17.6%，而采用无功功率补偿措施则对于提高节能显得十分必要。通过实例分析，可得出对变压器进行节能和改造研究，具有显著的经济效益。同时，也表明当前变压器的运行方式存在着很大的节能潜力。最后，对变压器的节能方法做了简单展望，在稳定变压器运行电压、维持变压器三相负荷平衡和降低变压器运行的温度等方面进行变压器节能改造还较为薄弱，建议今后专线用户企业尤其是高耗能企业，应大力推广使用新型节能变压器，同时开展变压器节能改造方面的深入研究。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.004

基金项目：中国南方电网科技项目资助（［2015］000303ZB00002）

作者简介：程乐峰（1990-），男，汉族，硕士，主要研究方向为配网自动化、电力系统智能优化及控制等方面研究；陈艺璇（1994-），女，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行与分析等；余涛（1974-），男，汉族，教授，主要研究领域为复杂电力系统的非线性控制理论和仿真、智能控制算法等

Discussion on Energy Conservation and Reconstruction Techniques and Methods of Distribution Transformers

CHENG Le-feng， CHEN Yi-xuan， YU Tao
（Electric Power College， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China）

ABSTRACT：The type of energy conservation transformers has been popularizing in large scale at home and abroad，on the basis， a detailed review and analysis was made on domestic and abroad energy conservation techniques and methods of distribution transformer， including the transformer materials optimization， structure modification， life-cycle management，condition-based maintenance， rational capacity selection， economic operation and reactive power compensation， etc.moreover，the transformer operation mode economic switching method was shown as an example of energy conservation calculation， which was compared with the traditional operation mode in aspect of energy consumption， and it’s proved that there was a strong energy conservation potential ability in current conventional operation modes.Meanwhile， an example of transformer reactive power compensation energy conservation benefits computation was given， which shows necessity of energy conservation from aspect of reactive power compensation.The weak links of transformer energy conservation methods were discussed and the future relation research directions were prospected.It’s concluded that the individual line enterprises especially ones with high energy consumption， should promote the application of new-type energy conservation transformers as soon as possible， and fully dig the energy conservation potential and improve the productive benefits.

KEyWORDS：Distribution network； Energy conservation and reconstruction； New-type transformer； Transformer economic operation； Optimal capacity selection； Transformer materials optimization