工业园区多台变压器经济运行方式研究

2018-07-06李百可鞠振河潘冬辉

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2018年2期

李百可，鞠振河，潘冬辉

(沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳 110136)

变压器的经济运行，就是充分利用现有设备条件，通过择优选取运行方式并按变压器的运行条件来调整负荷，使得在供电量相同的情况下，最大限度地降低变压器的损耗。所以，变压器经济运行的实质就是变压器的少消耗电能的运行。对鞍山工业园区变电所4台短路阻抗不同的变压器，在不同并列运行方式下进行经济分析，在相同负载条件下，通过计算求出变压器的经济运行负载系数，并据此画出变电所内变压器的经济运行曲线求其交点，按负载从小到大的顺序选出变压器的经济运行区间。

由于不同变压器的技术特性存在差异和变压器的有功损耗与负载存在函数关系，因此根据不同负载大小，可按照经济运行负载通过Matlab仿真软件，画出变压器损耗ΔP与负载S之间关系的曲线，以此来选取技术参数恰当的变压器以最佳的组合方式运行，从而降低变压器在运行过程中产生的不必要的经济损失和电量损失。

1 变压器经济运行简介

1.1 变压器经济运行的概念

变压器的经济运行，是使变压器综合功率损耗减到最小的运行方式。理论上讲变压器的功率损耗包括有功功率损耗、无功功率损耗和负载损耗。

变压器的有功功率损耗包括空载损耗P0和短路损耗Pk，其中空载损耗又称不变损耗，而短路损耗与电流的二次方有关，又称可变损耗。变压器有功损耗ΔP计算公式为

(1)

式中，β为变压器负载系数；I2为变压器负载侧负载电流(A)；I2N为变压器负载侧额定电流(A)；P2为变压器负载侧有功功率(kW)；SN为变压器额定容量；cosφ为变压器负载侧功率因数。

另外，变压器的无功功率损耗其实远大于有功功率损耗，其中包括励磁损耗Q0和漏磁损耗Qk，则变压器侧无功功率计算公式为

ΔQ=Q0+β2Qk

(2)

变压器综合功率损耗公式为

ΔPZ=∑ΔP0+∑β2ΔPk

(3)

其中：

ΔP0=ΔP+KQQ0+KPP0

(4)

ΔPk=Pk+KQQk+KPPk

(5)

式中，KP为有功功率经济当量；KQ为无功功率经济当量。

所以由上述公式可知，在变压器经济运行计算当中，求得变压器的负载系数至关重要。当采用优质节能变压器或变压器负载系数维持在经济负载系数上下时，变压器的功率损耗自然会随之减少。

1.2 变压器经济运行的必要性

变压器是在电力系统输电和配电过程中应用极为广泛的电气设备。在变压器运行过程中，变压器虽电能损耗不大，但变压器负载时间很长，综合其损耗的电能大约会占发电量的10%左右，占电力系统总损耗的30%以上。所以，变压器的经济运行对整个电网的节能损耗具有重要的意义。降低变压器的损耗既能为发、供电企业节约电能，创造显著的经济效益，又能改善环境、支持温室气体减排工作，从而实现安全、优质、经济变电所的目标。

2 变压器经济运行台数分析

2.1 确定经济运行方法分析

在变压器经济运行计算过程中，经常把变压器作为理想变压器，忽略计算过程中带来的不便，但在实际计算中会遇到各种各样的问题，例如实际变压器两侧电压变比与额定电压比不同、变压器短路阻抗不同等等。在经济运行计算过程中也会面对各种各样的问题，例如变压器并联运行台数的确定、大容量变压器与小容量变压器之间优先选择的确定、不同视在负载功率变压器优先选择的确定，最主要的还是变压器经济运行区间的确定。

1)潮流分析法，采用经典的潮流计算方法进行潮流计算，可以得出各节点的电压以及变压器各条支路上的功率流和损耗，即在已知变压器参数和变压器两端所带负荷时，可通过Etap软件来进行仿真分析，求各台变压器的损耗之和。也就是在中低压侧母线负荷已知的条件下，求出不同运行方式下的变压器损耗。通过比较不同运行方式下产生损耗的大小，得出最经济的运行方式。虽然此方法具有很高的可靠性，但存在计算量大、耗时问题。

2)原始数据改善法，即对变压器的空载损耗和短路损耗重新进行计算，对两种损耗进行重新估值，进而大大提高了计算精度和可信度，但其计算量偏大，不利于实际操作。

3)最常用的是临界点划分法，当计算出经济负载系数，画出不同负载损耗的曲线时，求其交点来获得功率临界点，从而划分出经济运行区间。变压器负载损耗与S关系曲线如图1所示。

图1 变压器负载损耗ΔP与S关系曲线

从图1中可以看出有三条曲线并有三个交点，当视在负载S在0～500 kVA时，接入不同型号的变压器或两台变压器时，y3变压器运行功率损耗最小，最为经济，交点处即y1和y3变压器所产生的功率损耗的临界点。当总负荷S在500～1 100 kVA时，变压器y1所产生的运行功率损耗最小，当总负荷S>1 100 kVA时，y1和y3两台变压器并联运行更为经济，获得临界点时，就可以确定变压器的经济运行区间。

2.2 变压器经济运行方式的计算

1)两台容量不同的A、B变压器，单台变压器功率损耗公式为

(6)

令A、B两变压器负载损耗ΔP相等，可求得各自单台运行时的临界负载功率SA-B,则SA-B的计算公式为

(7)

由式可知，在SA-B≤SB时,则S≤SA-B为变压器A先独自运行经济，反之，B变压器独自运行经济；反之亦然。

2)单台与两台并列运行时，即求A变压器与A、B并列运行时的临界负载功率，单台A变压器功率损耗公式为

(8)

A、B并列运行时的功率损耗为

(9)

所以，当ΔPA=ΔPAB时，可求得两种运行方式的临界负载功率SA-AB,计算式为

(10)

由式可知，当SA-AB≤SB时，则S≤SA-AB为变压器A独自运行经济，S>SA-AB为A、B并联运行经济；反之亦然。

所以，在采用临界点划分法时，一定要计算出不同运行方式下负载损耗功率的临界点，即画负载损耗曲线的交点，然后才能确定变压器的经济运行区间。

3 工程实例

鞍山工业园区南园变电所有主变压器4台，其参数如表1所示。

表1 南园变电所变压器参数

1)由表1可以看出是4台短路阻抗和额定容量不同的双绕组变压器，因为并联运行的变压器短路电压算术平均值相差较大，因此需计算4台变压器并列运行的负载分配情况。采用的方法是临界划分法，需计算出变压器的负载损耗ΔP与负载系数β，画出负载损耗ΔP与视在负载S的关系曲线，通过临界点划分出经济运行区间，从而确定变压器的经济运行方式。

各台变压器的负载系数公式为

(11)

式中，Uk为短路电压百分比；SNi为单台变压器的额定容量(kVA)；S为N台变压器并联运行的总负荷(kVA)。

根据公式(6)～(9)，可以画出负载损耗ΔP与视在负载功率S的关系曲线，如图2所示。