變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

嚴(yán)之光

(云錫股份公司設(shè)備能源部， 云南 個(gè)舊 661000)

電力節(jié)能

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

嚴(yán)之光

(云錫股份公司設(shè)備能源部， 云南 個(gè)舊 661000)

介紹了變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的理論計(jì)算、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的劃分。通過(guò)計(jì)算分析，在用3 200 kVA變壓器屬于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，將其更換為1 600 kVA變壓器后，在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)運(yùn)行，節(jié)電及綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行； 節(jié)電； 綜合經(jīng)濟(jì)效益

云錫集團(tuán)(控股)有限責(zé)任公司是一個(gè)集采礦、選礦、冶煉、化工、機(jī)械制造等為一體的特大型企業(yè)，主要產(chǎn)品有錫、銅、鉛、鋅、鎳等。下屬29個(gè)生產(chǎn)單位，有110 kV降壓站2座、35 kV降壓站20座，共有39臺(tái)主變壓器，合計(jì)容量35萬(wàn)kVA， 所供二次降壓變壓器2 250臺(tái)，合計(jì)容量56萬(wàn)kVA。2013年總用電量12億kW·h，變壓器電能損耗約占總用電量的4.5%，即變壓器年電能損耗為5 400萬(wàn)kW·h。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就是要在變壓器年損耗電量中挖掘節(jié)電潛力。 因此，開(kāi)展變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究，對(duì)降低電力系統(tǒng)的電能損耗有重要意義。

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是在確保變壓器安全運(yùn)行和保證可靠供電的基礎(chǔ)上，通過(guò)擇優(yōu)選取變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，調(diào)整優(yōu)化負(fù)載，改善變壓器運(yùn)行條件等技術(shù)措施，從而最大限度地降低變壓器的電能損耗。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的實(shí)質(zhì)就是變壓器的節(jié)電運(yùn)行。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行節(jié)電技術(shù)是把變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化理論和定量化計(jì)算方法與變壓器各種實(shí)際運(yùn)行工況相結(jié)合的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)在用3 200 kVA變壓器進(jìn)行分析計(jì)算后發(fā)現(xiàn)該變壓器運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)，更換變壓器后，達(dá)到了節(jié)電目的，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)理論

1.1 變壓器技術(shù)參數(shù)

雙繞組變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析計(jì)算時(shí)常用到的變壓器參數(shù)有：

(1) 額定參數(shù)：變壓器的額定容量SN；

(2) 技術(shù)參數(shù)：空載電流(勵(lì)磁電流)Io% ；短路電壓(短路阻抗)Uk%; 空載損耗(鐵芯損耗)Po；額定負(fù)載損耗(短路損耗)Pk。

在進(jìn)行變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的分析和計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常近似認(rèn)為：

Qo≈So=Io%SN×10-2

(1)

Qk≈Sk=Uk%SN×10-2

(2)

式中：Qo——變壓器在空載時(shí)電源側(cè)的勵(lì)磁功率(無(wú)功功率)，kvar；

Qk——變壓器額定負(fù)載時(shí)所消耗的漏磁功率(無(wú)功功率)，kvar。

1.2變壓器綜合功率損耗和綜合功率損耗率

綜合功率損耗是指變壓器有功功率損耗和因其消耗無(wú)功功率使電網(wǎng)增加的有功功率損耗之和。

綜合功率空載損耗：

Poz=Po+KQQo

(3)

綜合功率額定負(fù)載損耗：

Pkz=Pk+KQQk

(4)

式中：KQ——無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，kW/kvar。

變壓器綜合功率損耗:

ΔPz=Poz+KTβ2Pkz

(5)

式中：KT——負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)可由計(jì)算法或者查表法獲得[1]；

β——T時(shí)間內(nèi)變壓器的平均負(fù)載系數(shù)，

β=ATP/(TSNcos∮)

(6)

式中：ATP——T時(shí)間內(nèi)變壓器計(jì)量側(cè)的電量， kW·h； cos∮——T時(shí)間內(nèi)變壓器計(jì)量側(cè)平均功率因數(shù)。

變壓器的綜合功率損耗率：

ΔPz%=ΔPz/P1=(Poz+KTβ2Pkz)/
(βSNcos∮+PO+KTβ2Pk)

(7)

2 變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)

2.1 變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)

由公式(7)可知，變壓器損耗率ΔPz%是變壓器負(fù)載系數(shù)的二次函數(shù)，變壓器在運(yùn)行中，其自身的有功損耗率和無(wú)功損耗率隨著負(fù)載的變化而發(fā)生非線性變化，綜合功率損耗率隨負(fù)載系數(shù)呈非線性變化，最低點(diǎn)為綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)βJZ，是綜合功率損耗率最低時(shí)變壓器輸出視在功率與額定容量之比。計(jì)算公式為：

(8)

即非線性變化在最低點(diǎn)時(shí)銅損等于鐵損，之后ΔPz%又隨著β的增大而上升，即βJZ是最小損耗率ΔPzb%的負(fù)載系數(shù)。

變壓器綜合功率最低損耗率：

(9)

2.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)和最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的劃分

由于變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)僅是變壓器負(fù)載曲線上的一點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，校驗(yàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件很困難。因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13462—92《工礦企業(yè)電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行導(dǎo)則》提出了變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的概念，并給出了按綜合功率確定變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的方法。該標(biāo)準(zhǔn)在變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)內(nèi)又提出變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的優(yōu)選運(yùn)行段(即最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū))，并給出了其確定方法。

注：ΔPz% =f(β)為變壓器綜合功率損耗率與平均負(fù)載系數(shù)β的函數(shù)特性曲線。變壓器綜合功率運(yùn)行區(qū)間的范圍劃分為：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；最佳運(yùn)行區(qū)(優(yōu)選段；非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)圖1 變壓器綜合功率運(yùn)行區(qū)劃分

2.3 調(diào)整變壓器在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)運(yùn)行

調(diào)整變壓器在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)運(yùn)行后，可節(jié)約電量：

(10)

AZP——節(jié)電量，kW·h；

Poz1——原運(yùn)行變壓器的綜合功率空載損耗，kW；

Poz2——更新后變壓器的綜合功率空載損耗，kW；

Pkz1——原運(yùn)行變壓器的綜合功率額定負(fù)載損耗，kW；

Pkz2——更新后變壓器的綜合功率額定負(fù)載損耗，kW；

SN1——原運(yùn)行變壓器的額定容量，kVA；

SN2——更新后變壓器的額定容量，kVA；

T——年運(yùn)行時(shí)間，h；

KT——負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)。

3 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

云錫下屬單位一座35 kV變電站建于上世紀(jì)80年代，變壓器容量3 200 kVA，平均負(fù)載系數(shù)僅有0.18。下面分析該變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況，并更換變壓器使之處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。

3.1 原運(yùn)行變壓器分析

原運(yùn)行變壓器型號(hào)SJ- 3200 35/10 kV，

技術(shù)參數(shù)：Io1%=3.2%，Uk1%=7.1%，Po1=10.5 kW，Pk1=33.5 kW。

(1) 根據(jù)(1)、(2)、(3)、(4)式計(jì)算Qo1、Qk1、Poz1、Pkz1：

Qo1≈So1=Io1%SN×10-2= 3.2×3 200×10-2=102.4 kvar

Qk1≈Sk1=Uk1%SN×10-2=7.1×3 200×10-2= 227.2 kvar

Poz1=Po1+KQQo1=10.5+0.03×102.4=13.57 kW

Pkz1=Pk1+KQQk1=33.5+0.03×227.2=40.32 kW

KQ取0.03(實(shí)際功率因數(shù)cos∮=0.98，根據(jù)GB/T13462—92規(guī)范，當(dāng)變壓器負(fù)載側(cè)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.9以上時(shí)，KQ取0.02～0.04)。

根據(jù)(8)式計(jì)算出變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可劃分出變壓器的各運(yùn)行區(qū)間，見(jiàn)表1。

表1 3 200 kVA變壓器綜合功率運(yùn)行區(qū)間表

(2) 按(6)式計(jì)算出該變壓器全年的平均負(fù)載系數(shù)：

全年實(shí)際用電量ATP=4 548 600 kW·h，cos∮=0.94，T=8 640 h(360 d)，則：

β1=ATP/(TSN1cos∮) =
4 548 600/(8 640×3 200×0.94)=0.18

該變壓器全年平均負(fù)載系數(shù)β為0.18，按表1綜合功率運(yùn)行區(qū)間劃分，該變壓器在非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)運(yùn)行。

根據(jù)值班記錄，典型負(fù)荷代表日的用電負(fù)荷計(jì)算出形狀系數(shù)Kf=1.06，負(fù)載波動(dòng)系數(shù)KT與Kf的關(guān)系式：

按(2)式計(jì)算現(xiàn)運(yùn)行變壓器工況負(fù)載綜合功率損耗率：

ΔPz1% =ΔPz/P1=13.57+1.124×0.182×
40.32)/(0.18×3 200×0.94+10.5+1.124×
0.182×33.5)×100%=2.72%

按(9)式計(jì)算現(xiàn)運(yùn)行變壓器綜合功率最低損耗率：

ΔPzb1%=(2×13.57)/(0.58×3200×0.94+
10.50 + 0.582×33.5)×100% =1.54%

通過(guò)計(jì)算可知3 200 kVA變壓器按照現(xiàn)在的方式運(yùn)行，綜合功率損耗率較大，比變壓器綜合功率最低損耗率高1.18%。加之因生產(chǎn)流程調(diào)整負(fù)荷減少，變壓器富裕容量較大，月基本電費(fèi)支出為8.64萬(wàn)元(27元/kVA)，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。因此，提出了選用小容量節(jié)能型變壓器更換此變壓器。

根據(jù)該公司的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，平均生產(chǎn)負(fù)荷492 kW,最大負(fù)荷1 350 kW，故決定選用1 600 kVA變壓器。

3.2 更換后的新型低損耗節(jié)能變壓器分析

新變壓器型號(hào)S13- 1600 35/10 kV，

技術(shù)參數(shù)：Io2%=0.5%，Uk2%=6.5%，Po2=1.27 kW，Pk2=16.67 kW。

同樣按(1)、(2)、(3)、(4)、(8)式分別計(jì)算出：

Qo2=8 kvar，Qk2=104 kvar，Poz2=1.51 kW，
Pkz2=19.79 kW，βJZ2=0.28。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可劃分新變壓器的運(yùn)行區(qū)間，如表2所示

表2 1 600 kVA變壓器綜合功率運(yùn)行區(qū)間表

按(6)式計(jì)算出新變壓器全年的平均負(fù)載系數(shù)：

β2=ATP/(TSN2·cos∮)=4 548 600/
(8 640×1 600×0.94)=0.35

由表2可知，更換為1 600 kVA變壓器后，該變壓器在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)內(nèi)運(yùn)行，按(7)式計(jì)算其綜合功率損耗率為：

ΔPz2% =(1.51+1.124×0.352×19.79)/
(0.35×1 600×0.94+1.27+1.124×
0.352×16.67)×100%=0.80%

ΔPzb2%=(2×1.51)/(0.28×1 600×0.94+
1.27+0.282×16.67) ×100% =0.71%

通過(guò)上述計(jì)算，綜合功率損耗率與綜合功率最低損耗率基本接近，說(shuō)明變壓器運(yùn)行合理。

3.3 節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益分析

將3 200 kVA變壓器更換為1 600 kVA低損耗變壓器，變壓器由非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)變?yōu)樽罴呀?jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)運(yùn)行，其綜合功率損耗率由2.72%減少到0.80%，下降了1.92%。

年節(jié)約電量：按(10)式計(jì)算

AZP=(13.57-1.51)×8 640+1.124×
(4 548 600/ 8640×0.94)2×(40.32/3 2002-
19.79/1 6002)×8 640=92 653.4 kW·h

年節(jié)約電費(fèi)5.56萬(wàn)元(綜合電價(jià)0.60元/kW·h)。

新購(gòu)置S13- 1600 35/10 kV變壓器，投資17.5萬(wàn)元，3年即可收回投資。

另外，變壓器更換后年節(jié)約變壓器容量費(fèi)(基本電費(fèi))開(kāi)支：

(3 200-1 600)kVA×27元/kVA·月×12月=51.84萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

變壓器是電壓變換設(shè)備，在供電和配電系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛且數(shù)量大，減少變壓器損耗，其節(jié)能效果較顯著。云錫在用的變壓器，特別是二次降壓變壓器還有部分存在運(yùn)行不合理的問(wèn)題，將積極應(yīng)用變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行節(jié)電技術(shù)對(duì)其運(yùn)行方式和負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使變壓器處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，從而最大限度地降低變壓器的電能損耗。

[1] GB/T13462—1992 工礦企業(yè)電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行導(dǎo)則[S].

[2] 胡景生等. 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[3] 姜子剛.節(jié)能技術(shù)[M].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

AnalysisofTransformerEconomicalOperationandItsApplicationinProductionPractice

YAN Zhi-guang

The theoretical calculation of transformer economic operation and division of economic operation zone are introduced in this paper. Through the calculation and analysis, it showed that 3 200 kVA transformer in service belongs to non-economic operation zone. After replacing it, the new 1 600 kVA transformer runs under the optimizing economic operation zone. The energy saving and comprehensive economic benefit are obvious.

transformer economic operation; energy saving; comprehensive economic benefit

2014-08-11

嚴(yán)之光(1958—)，男，云南個(gè)舊人，專(zhuān)科，電氣高級(jí)工程師，從事設(shè)備能源管理工作。

TM4

B

1008-5122(2015)01-0034-04