對(duì)變壓器運(yùn)行效率與經(jīng)濟(jì)管理問(wèn)題的探討

摘要：變壓器的運(yùn)行過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很多的無(wú)謂損失，不僅浪費(fèi)了大量的資源，降低了效率，也對(duì)變壓器的壽命與安全運(yùn)行帶來(lái)了較大影響，因此從經(jīng)濟(jì)層面出發(fā)來(lái)提升變壓器的運(yùn)行效率就顯得十分必要。在這種背景下，首先介紹了變壓器運(yùn)行的效率損失類型與效率計(jì)算方式，進(jìn)而探討了實(shí)施經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方案選擇，最后給出了變壓器實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保障措施。

關(guān)鍵詞：變壓器；運(yùn)行效率；經(jīng)濟(jì)管理；保障

作者簡(jiǎn)介：林忠福（1979-），男，福建莆田人，國(guó)家新聞出版廣電總局824臺(tái)，工程師。（福建 莆田 351111）

中圖分類號(hào)：TM4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）09-0259-02

一、變壓器運(yùn)行的效率損失與計(jì)算

1.效率損失

變壓器運(yùn)行過(guò)程中的效率損失主要來(lái)自兩大方面，即銅損與鐵損。銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗。當(dāng)電流通過(guò)線圈電阻發(fā)熱時(shí)，一部分電能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗。由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損。變壓器的鐵損包括兩個(gè)方面：一是磁滯損耗。當(dāng)交流電流通過(guò)變壓器時(shí)，通過(guò)變壓器硅鋼片的磁力線的方向和大小會(huì)隨之變化，使得硅鋼片內(nèi)部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。二是渦流損耗。當(dāng)變壓器工作時(shí)，鐵芯中有磁力線穿過(guò)，在與磁力線垂直的平面上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于這一電流自成閉合回路形成環(huán)流且成旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使鐵芯發(fā)熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。變壓器的效率與變壓器的功率等級(jí)有著密切關(guān)系，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。[1]

2.效率計(jì)算

變壓器的效率可以用以下公式計(jì)得：變壓器的效率=輸出功率/輸入功率×100%。其中，因?yàn)檩斎?、輸出的能量都是電能，所以也可以用“功?VI”來(lái)計(jì)算輸出、輸入功率。如果變壓器的效率是100%，通常稱其為“理想變壓器”（Ideal Transformer）。在該情形下：輸入功率=輸出功率，即VP IP=VS IS。然而在現(xiàn)實(shí)中，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中有能量損耗是在所難免的（如會(huì)產(chǎn)生熱能），也可以用一般的方法來(lái)提升變壓器的效率，包括：線圈度使用較粗的導(dǎo)線，因?yàn)榇謱?dǎo)線的電阻比較細(xì)，所以導(dǎo)線中的能量損耗都會(huì)較細(xì)；使用軟鐵心，因?yàn)檐涜F心比較容易磁化同退磁，在傳遞磁場(chǎng)時(shí)的能量損耗會(huì)較低；把軟鐵芯切成不相通的薄片，這是因?yàn)榇帕?huì)和鐵芯度產(chǎn)生環(huán)回電流（Eddy Currents），導(dǎo)致能量化成熱并流失至外界。

二、變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方案選擇

GB/T13462—92對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)確定的原則是：變壓器在額定負(fù)載條件下的運(yùn)行區(qū)應(yīng)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。因此，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的上限值定為負(fù)荷率等于1，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的下限值所對(duì)應(yīng)的效率應(yīng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的上限值的效率相等，其計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

1.變壓器國(guó)標(biāo)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的上下限

一是變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)上限的效率。變壓器效率的一般計(jì)算公式為：

（1）

式中：U*=U/Ur為變壓器運(yùn)行電壓標(biāo)幺值；U為變壓器運(yùn)行電壓；Ur為變壓器的額定電壓；ΔP0為變壓器空載試驗(yàn)損耗；ΔPk為變壓器短路試驗(yàn)損耗；β為變壓器的負(fù)荷率；Sr為變壓器的額定容量；cosφ為變壓器的功率因數(shù)。

將額定工況條件β=1，U*=1代入（1）式，得：

（2）

二是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限值的效率計(jì)算公式。變壓器處在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限值時(shí)的效率公式為：

（3）

令η2=η1，即（3）式與（2）式相等，解得：

（4）

由（4）式可知，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的負(fù)荷率下限值與變壓器空載試驗(yàn)損耗成正比，與變壓器短路試驗(yàn)損耗成反比，還與變壓器運(yùn)行電壓標(biāo)幺值的平方成正比，也就是說(shuō)運(yùn)行電壓升高時(shí)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)荷率下限值會(huì)增大。說(shuō)明變壓器的運(yùn)行電壓對(duì)其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的寬度有影響。[2]

三是“大馬拉小車”的判據(jù)。根據(jù)式（4）計(jì)算出變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)荷率的下限值，當(dāng)負(fù)荷率小于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)荷率下限值時(shí)可以判定變壓器處于“大馬拉小車”工況。

2.變壓器經(jīng)濟(jì)容量的選擇

根據(jù)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的上下限確定其經(jīng)濟(jì)容量，使變壓器實(shí)際運(yùn)行的工作點(diǎn)不超出經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。

按最大負(fù)荷選擇容量，條件是：

（5）

按最小負(fù)荷校驗(yàn)容量，條件是：

（6）

如果（5）、（6）兩式均成立，則所選擇的容量為經(jīng)濟(jì)容量，變壓器運(yùn)行時(shí)不會(huì)超出經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。

三、構(gòu)建變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括兩大部分，即變壓器感測(cè)記錄器與資料讀取器。變壓器感測(cè)記錄器的重點(diǎn)內(nèi)容在于中央處理器的配置。中央處理器是變壓器感測(cè)記錄器的控制中樞，整合各硬件模塊輸入、輸出的資料。相較于變壓感測(cè)器，資料讀取器的設(shè)置更為復(fù)雜。資料讀取器的主要功能是供巡檢人員以無(wú)線電方式讀取感測(cè)記錄器中的資料。資料讀取器以PDA作為工作平臺(tái)，因此，對(duì)于資料讀取器的工作重點(diǎn)，主要注重于PDA上設(shè)計(jì)資料讀取軟件及設(shè)定儲(chǔ)存界面，各軟件模塊應(yīng)包含如下功能：

一是界面整合管理模塊。界面整合管理模塊為資料讀取器的開(kāi)始，資料讀取器的所有軟件模塊功能均是由此進(jìn)入執(zhí)行，主要用來(lái)統(tǒng)合各項(xiàng)軟件模塊的功能，各項(xiàng)功能選項(xiàng)均會(huì)整合在該管理模塊里面，程序界面會(huì)顯示各項(xiàng)模塊的名稱，目的是方便巡檢人員清楚地了解操作資料讀取器。

二是資料讀取模塊。該模塊包含兩種主要功能界面：一是即時(shí)讀取，該界面可以即時(shí)讀取變壓器該時(shí)刻的電流、溫度及時(shí)間資料，并通過(guò)人性化的視窗界面顯示在PDA上，可以讓巡檢人員立即得知該時(shí)刻變壓器的所有負(fù)載情況；二是讀取資料的初步整理，即將復(fù)雜繁瑣的資料進(jìn)行歸類與篩選，從而便于下一步的操作。

三是資料儲(chǔ)存模塊。讀取操作之后，資料會(huì)完整地顯示于視窗界面上，同時(shí)可以利用資料儲(chǔ)存模塊把所有溫度、電流及時(shí)間的資料儲(chǔ)存成文字（.txt）檔案格式，并存放于資料讀取器里，以便將來(lái)可以讓巡檢人員再重新觀看負(fù)載資料，以及后續(xù)傳送至主電腦下的變壓器診斷系統(tǒng)作進(jìn)一步分析。

四是資料傳送模塊。所有儲(chǔ)存于資料記錄器里的負(fù)載記錄資料，最后會(huì)以USB為界面通過(guò)該模塊即USB桌上型同步化插座，把所有負(fù)載資料同步于個(gè)人電腦上，方便巡檢人員檢閱此負(fù)載記錄資料；也可以把各負(fù)載資料作備份、匯整的后續(xù)工作。

五是資料處理模塊。該模塊的主要功能是時(shí)間設(shè)定，該界面在變壓器安裝時(shí)就要進(jìn)行必要的時(shí)間設(shè)定，確保變壓器感測(cè)記錄器的系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定和PDA同步。當(dāng)系統(tǒng)安裝一段時(shí)間后，同樣也可利用該界面來(lái)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間作校正，重新再與PDA同步。

四、實(shí)施變壓器實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)管理保障措施

變壓器運(yùn)行效率的實(shí)現(xiàn)不僅僅是技術(shù)層面的問(wèn)題，更表現(xiàn)為深層的經(jīng)濟(jì)層面問(wèn)題。在運(yùn)行電壓器的過(guò)程中，供電部門及用電者的相關(guān)利益都會(huì)受到影響，而這也表現(xiàn)為對(duì)電力價(jià)格變化的影響。因此，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)觀出發(fā)，切實(shí)做好管理層面的相關(guān)內(nèi)容。就變電站來(lái)說(shuō)，應(yīng)做好如下工作。

第一，合理選擇變壓器的容量水平，并且在選擇時(shí)要確保對(duì)安全性能、技術(shù)環(huán)節(jié)及經(jīng)濟(jì)層面的各類指標(biāo)加以系統(tǒng)考慮。如果變壓器的運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間屬于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，則很容易降低變壓器的使用效率，帶來(lái)更大的線路損失。另外，滿負(fù)荷與超負(fù)荷運(yùn)行也容易縮短變壓器的使用壽命，更有可能引發(fā)變壓器被燒毀的危險(xiǎn)。因此，估計(jì)變壓器的容量水平，是合理使用變壓器的前提所在。如果變壓器由于超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致溫度升高的狀況出現(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取補(bǔ)救方案。例如，對(duì)于溫度升高的情況進(jìn)行詳細(xì)解讀，從而采取措施使得變壓器得到強(qiáng)制冷卻。

第二，對(duì)于老舊的變壓器要進(jìn)行及時(shí)的更新?lián)Q代，使用能耗較低的變壓器，這不僅符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保的政策要求，也是變電站服務(wù)社會(huì)的主要表現(xiàn)之一。[3]對(duì)于變壓器更新?lián)Q代項(xiàng)目的推廣開(kāi)展，既可以由組織及用戶自行完成，也可以通過(guò)與節(jié)能環(huán)保部門進(jìn)行有效合作來(lái)完成。就合作完成而言，這需要節(jié)能環(huán)保部門帶頭構(gòu)建相應(yīng)的方案，變電站或個(gè)人給予充分的支持。

第三，實(shí)施系統(tǒng)化的變壓器運(yùn)行體系。這種系統(tǒng)化的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行體系應(yīng)當(dāng)涵蓋負(fù)荷、規(guī)章與功率補(bǔ)償?shù)确矫娴膬?nèi)容。就負(fù)載而言，除了上述所要求的不能滿負(fù)荷的運(yùn)行之外，還需要關(guān)注變壓器的最低負(fù)荷大小，嚴(yán)格杜絕載電量的過(guò)、輕、空等現(xiàn)象。目前變電站所常用的變壓器的負(fù)荷率基本維持在0.5左右的水平，過(guò)載運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致效率的明顯降低，而低負(fù)荷運(yùn)行同樣不符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。除此之外，還需要關(guān)注平衡負(fù)荷的實(shí)現(xiàn)，即有效地減少由于不平衡的存在而帶來(lái)的銅損狀況的增加。就規(guī)章而言，其構(gòu)建也應(yīng)當(dāng)聚焦于負(fù)荷量的突然變化，充分采用“谷”、“峰”之間的互相填補(bǔ)，來(lái)合理指導(dǎo)用電負(fù)荷持久穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)，最終帶來(lái)波動(dòng)性及線損的減少。就功率互補(bǔ)來(lái)看，有必要采取無(wú)功自動(dòng)互補(bǔ)的模式來(lái)有效提升負(fù)荷功率的因數(shù)大小，從而減少由無(wú)功所帶來(lái)的損失，最終提升變壓器的運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王平瑞.變壓器的損耗及效率的研究[J].煤炭技術(shù)，2011，（9）.

[2]黃大集.配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式分析[J].電氣開(kāi)關(guān)，2013，（1）.

[3]馬吉恩，楊華勇，徐兵，等.液壓變壓器效率特性的測(cè)試與分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，（7）.

（責(zé)任編輯：孫晴）