配網(wǎng)變壓器節(jié)能改造技術(shù)和方法探討

程樂(lè)峰，陳藝璇，余濤（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省 廣州市 510640）

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配網(wǎng)變壓器節(jié)能改造技術(shù)和方法探討

程樂(lè)峰，陳藝璇，余濤
（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省 廣州市 510640）

摘要：當(dāng)前國(guó)內(nèi)大面積推廣使用節(jié)能型變壓器，基于此，對(duì)國(guó)內(nèi)外的變壓器的節(jié)能技術(shù)和方法進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，包括優(yōu)化變壓器材料、變壓器結(jié)構(gòu)改造、變壓器全壽命周期管理、加強(qiáng)變壓器狀態(tài)檢修、變壓器容量的合理選擇、變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和采用無(wú)功補(bǔ)償裝置等，并給出了變壓器運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)切換法進(jìn)行節(jié)能計(jì)算的實(shí)例，與變壓器傳統(tǒng)運(yùn)行方式耗能進(jìn)行了對(duì)比，證明了當(dāng)前傳統(tǒng)運(yùn)行方式的節(jié)能潛力，同時(shí)給出了變壓器無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能效益計(jì)算實(shí)例，表明從無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕嵌冗M(jìn)行節(jié)能的必要性。探討了當(dāng)前變壓器節(jié)能方法研究的薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)未來(lái)研究方向做出展望。分析得出專線用戶企業(yè)尤其是高耗能企業(yè)應(yīng)盡快推廣使用新型節(jié)能變壓器，充分挖掘節(jié)能潛力，提高生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；節(jié)能改造；新型變壓器；變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；最佳容量選擇；優(yōu)化變壓器材料

本文引用格式：程樂(lè)峰，陳藝璇，余濤.配網(wǎng)變壓器節(jié)能改造技術(shù)和方法探討［J］.新型工業(yè)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

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活水平和促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。電能在全國(guó)能源總額中占據(jù)著重要的地位，電能損耗在能源損耗中的更是不可小覷。

變壓器作為電力系統(tǒng)運(yùn)行的主要設(shè)備之一，在電能生產(chǎn)、輸送、調(diào)度分配過(guò)程中起到非常重要的作用，文其運(yùn)行效益直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的成本和效益［1-4］。在配電網(wǎng)中，增加配變布點(diǎn)的要求使得配電變壓器的數(shù)量非常龐大，其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)電機(jī)的總?cè)萘?。加之變壓器輸送電能多、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，變壓器產(chǎn)生的電能損耗相當(dāng)可觀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從發(fā)電到用電所經(jīng)歷的3～5次的電壓變換過(guò)程中，變壓器所產(chǎn)生的總電能損耗可占發(fā)電量的10%左右［5］。因此，變壓器節(jié)能的研究是十分緊急且必要的。

目前，在變壓器節(jié)能方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究。在這些研究中，優(yōu)化變壓器的材料、低電阻及導(dǎo)磁性好的材料越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在變壓器制造中，很大幅度的減少了變壓器的損耗［6-8］。文［9］提出了變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化法，將鐵芯結(jié)構(gòu)由原來(lái)的直接縫改為半直半斜和全斜接縫，或適當(dāng)調(diào)整硅鋼片和電磁線的比例，可以大幅降低空載損耗和負(fù)載損耗。此外，文［10］深入研究對(duì)稱三角形結(jié)構(gòu)的圓截面三相卷鐵芯變電壓器，對(duì)變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，使材料的優(yōu)良性能得以最大化發(fā)揮。大量的理論研究推翻了傳統(tǒng)的變壓器負(fù)載率越高越好的認(rèn)知，提出了變壓器最佳負(fù)載率的概念［11］。

從變壓器絕緣壽命評(píng)估的角度出發(fā)進(jìn)行變壓器全壽命周期管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器節(jié)能改造提供思路和方法，其中，文［12］綜合考慮變壓器運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)變壓器進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)和絕緣壽命評(píng)估，分析其全壽命周期成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而制定恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行維護(hù)和狀態(tài)檢修策略，以提高電力企業(yè)的精益化管理水平。通過(guò)對(duì)變壓器的全壽命周期管理，制定合理的變壓器維護(hù)和檢修策略，評(píng)估變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，減少過(guò)度維修造成的巨大資源浪費(fèi)，從壽命全周期管理的角度實(shí)施變壓器節(jié)能改造，而筆者曾就變壓器的狀態(tài)檢修和壽命評(píng)估做了一些研究［13］，提出選取變壓器油紙絕緣系統(tǒng)作為評(píng)估的對(duì)象，取熱點(diǎn)溫度（HST）為核心點(diǎn)，結(jié)合威布爾分布（Weibull）和阿列紐斯（Arrhenius）反應(yīng)定律，建立了基于HST的變壓器老化故障模型，并使用油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色理論對(duì)模型進(jìn)行修正，確保評(píng)估值能反映變壓器的實(shí)際可靠性水平，從而基于對(duì)變壓器壽命評(píng)估的動(dòng)態(tài)修正來(lái)對(duì)變壓器的全壽命周期的管理，提前跟蹤觀察變壓器可能出現(xiàn)的油高溫、油擊穿等故障，從另一個(gè)角度，通過(guò)提高變壓器檢修效率，及時(shí)追蹤變壓器實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，為實(shí)施變壓器節(jié)能改造提供重要的思路和基礎(chǔ)。

文［14］提出了考慮實(shí)際運(yùn)行、無(wú)功損耗、投資回報(bào)時(shí)的最佳負(fù)載率的求解方法，借助這些值可以挑選出容量最合適的變壓器。該文從變壓器狀態(tài)檢修的角度出發(fā)，基于監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)，通過(guò)各種檢測(cè)手段來(lái)正確判斷變壓器的當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)變壓器進(jìn)行壽命管理，形成有效的壽命評(píng)估，減小維修成本［14］，提高電力變壓器的設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，這對(duì)于變壓器的節(jié)能降耗具有重要的參考作用和指導(dǎo)意義。

除了文［14］提到的方法外，變壓器的最佳容量選擇問(wèn)題還可通過(guò)綜合能效費(fèi)用法來(lái)解決［15-17］：通過(guò)計(jì)算分析各可行技術(shù)方案下的變壓器的綜合能效費(fèi)用，確定出總費(fèi)用最少的方案即認(rèn)為是最優(yōu)。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論也在不斷成熟：實(shí)際負(fù)載率的不斷變動(dòng)，使得變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間研究比變壓器最佳負(fù)載率的研究更具實(shí)際意義［18-21］；多臺(tái)變壓器存在著不同的運(yùn)行方式的組合，文［22］提出了在不同的負(fù)荷容量下變壓器間最佳組合方式的確定方法，為了防止切換動(dòng)作過(guò)于頻繁，文［23］結(jié)合負(fù)荷預(yù)測(cè)方法提出了更具實(shí)際意義的時(shí)段分析法，提前確定變壓器投切次數(shù)，兼顧了節(jié)能性與安全性。當(dāng)變壓器總用電負(fù)載不變，運(yùn)行方式也不變時(shí)，通過(guò)變壓器負(fù)載的經(jīng)濟(jì)分配也可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［24，25］。此外，對(duì)變壓器負(fù)載端的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，提高變壓器的功率因數(shù)，也可以大幅減少變壓器損耗。傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置法［26-30］與新型的配電變壓器一體化靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)［31］均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器負(fù)載端進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

本文分析了變壓器功率損耗的來(lái)源，將國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的變壓器節(jié)能方法和技術(shù)進(jìn)行了綜述研究，并選取其中的一種方法進(jìn)行了詳細(xì)的算例分析，通過(guò)將變壓器傳統(tǒng)運(yùn)行方法下的耗能與變壓經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方法下的耗能進(jìn)行對(duì)比，分析得出變壓器在傳統(tǒng)運(yùn)行方式下存在這巨大的節(jié)能潛力。最后，本文指出了當(dāng)前變壓器節(jié)能研究領(lǐng)域存在的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)今后的研究方向做出展望，并指出應(yīng)盡快大面積推廣使用新型節(jié)能變壓器，尤其是對(duì)于專線用戶的高耗能企業(yè)。

1 變壓器損耗分析

變壓器的功率損耗分為有功功率損耗和無(wú)功功率損耗。變壓器的有功功率損耗和因其消耗無(wú)功功率而使電網(wǎng)增加的有功功率之和為變壓器的綜合功率損耗。綜合功率損耗的表達(dá)式為［1-3］：

式中，P0Z為空載綜合損耗，單位為kW，P0Z=P0+kQ0；P0為空載有功損耗，單位為kW；Q0為空載無(wú)功損耗，單位為kW，Q0=I0%SN×10-2；PKZ為額定負(fù)載綜合損耗，單位為kW，PKZ=PK+kQK；PK為負(fù)載損耗，單位為kW；QK為短路無(wú)功損耗，單位為kvar，QK=UK%SN×10-2；β為變壓的負(fù)載率，β=S/SN；S為變壓器負(fù)載容量，單位為kVA；SN為變壓器的額定容量，單位為kVA；k為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，單位為kW/kvar。

1.1 變壓器的有功功率損耗［5］

變壓器的有功功率損耗分為空載損耗和負(fù)載損耗。空載損耗（又稱作鐵損）包含渦流損耗和磁滯損耗；負(fù)載損耗（又稱作銅損）包含電阻損耗和附加損耗。

空載損耗是與負(fù)載大小無(wú)關(guān)的固定損耗，通常容量越大的變壓器，其空載損耗越大。其中，磁滯損耗是由于交流電流通過(guò)變壓器時(shí)，由于通過(guò)硅鋼片的磁力線方向和大小在不斷變化，使得硅鋼片內(nèi)部分子相互摩擦放出熱能而形成的電能損耗；渦流損耗是感應(yīng)電勢(shì)在閉合回路上形成的渦流使鐵芯發(fā)熱而形成的。

負(fù)載損耗中，電阻損耗是指變壓器線圈電阻所引起的損耗，與負(fù)載電流的平方成正比。由于變壓器短路時(shí)的一次側(cè)短路電壓UK很小，在鐵芯中產(chǎn)生的有功功率損耗可以忽略不計(jì)，故變壓器的短路損耗△PK可以認(rèn)為是銅損；附加損耗主要由變壓器漏磁引起，包括繞組渦流損耗、并繞導(dǎo)線損耗的環(huán)流損耗以及結(jié)構(gòu)損耗等。

1.2 變壓器的無(wú)功功率損耗

變壓器的變壓過(guò)程是借助于電磁感應(yīng)完成的，在變壓器傳輸功率的過(guò)程中，變壓器自身的無(wú)功功率損耗遠(yuǎn)大于有功功率損耗。變壓器的無(wú)功功率損耗一部分由建立變壓器主磁通的勵(lì)磁電流引起，這部分無(wú)功功率損耗與負(fù)載電流無(wú)關(guān)，為一恒量；另一部分由變壓器繞組上的電抗及流經(jīng)繞組的電流組成，這部分與負(fù)載電流有關(guān)［5］。

變壓器無(wú)功功率損耗可以由下式計(jì)算：

式中，I0%為變壓器空載電流占額定電流的百分值；UK%為變壓器短路點(diǎn)壓占額定電壓的百分值；S30為變壓器的計(jì)算負(fù)荷；SN為變壓器的額定容量。

2 變壓器節(jié)能方法和技術(shù)簡(jiǎn)要綜述

變壓器節(jié)能的重要性使得變壓器節(jié)能方法成為目前的研究熱點(diǎn)。針對(duì)變壓器損耗的來(lái)源不同，變壓器節(jié)能方法分多種：通過(guò)優(yōu)化變壓器的導(dǎo)磁材料改變來(lái)變壓器的損耗特性，能夠從根源上減少變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗。尤其是以非晶體合金為鐵芯材料的變壓器能夠大幅減少變壓器空載損耗，具有非常好的節(jié)能效果；為了使優(yōu)質(zhì)材料的優(yōu)良性能得以最大化發(fā)揮，必須要通過(guò)合理的變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，可以達(dá)到減少損耗和節(jié)省材料的雙重目的；借助變壓器的最佳負(fù)載率或采用綜合能效費(fèi)用最小的原則可以合理選擇變壓器容量，從而有效防止變壓器容量選擇過(guò)大或過(guò)小，減少運(yùn)行成本，提高節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性；在變壓器選定之后，可采取變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方案來(lái)安排運(yùn)行，包括使變壓器工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間、變壓器各種運(yùn)行方式間的經(jīng)濟(jì)切換、變壓器負(fù)載之間的經(jīng)濟(jì)分配等。采用這些方案，能夠提高變壓器的運(yùn)行效率、減少變壓器的運(yùn)行損耗，實(shí)現(xiàn)變壓器節(jié)能的目的；采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ棺儔浩鞯臒o(wú)功功率從負(fù)載處得到補(bǔ)償，可以減少變壓器的無(wú)功功率損耗和綜合功率損耗。無(wú)功補(bǔ)償方法包括采用傳統(tǒng)的靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC、靜止無(wú)功發(fā)生器SVG、有源濾波器APF等裝置來(lái)進(jìn)行，也可采用新型配電變壓器一體化靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高、低電壓等級(jí)交匯點(diǎn)處的無(wú)功功率及電能質(zhì)量的綜合補(bǔ)償控制。

2.1 優(yōu)化變壓器材料

變壓器是通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)電壓的，導(dǎo)磁材料質(zhì)地的優(yōu)劣，直接影響變壓器的損耗特性。因此，優(yōu)化變壓器的材料是一種重要的變壓器節(jié)能措施。在減少空載損耗方面，硅鋼片在不斷的被改進(jìn)與發(fā)展。目前用于鐵芯導(dǎo)磁材料的硅鋼片普遍厚度為0.23～0.30mm，0.18mm厚的硅鋼片已經(jīng)開(kāi)始被使用，厚度更薄已經(jīng)成為硅鋼片未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［6］。另外，非晶合金材料的應(yīng)用，也促進(jìn)了變壓器的發(fā)展。非晶合金鐵芯變壓器與硅鋼片鐵芯變壓器相比，空載損耗可降低70%。文［7］將非晶體合金鐵芯變壓器、節(jié)能型S11變壓器的損耗進(jìn)行對(duì)比分析，得出非晶體合金為鐵芯材料的變壓器在降低空載損耗方面的比節(jié)能型S11變壓器更具有優(yōu)越性的結(jié)論。在減少負(fù)載損耗方面，新型低電阻材料成為研究的熱點(diǎn)。無(wú)氧銅導(dǎo)線和電工鋁導(dǎo)線，可使電導(dǎo)率分別提高到電解銅和工業(yè)鋁導(dǎo)線的109%和104.2%，在節(jié)能變壓器中得到了廣泛應(yīng)用。此外，利用超導(dǎo)材料超過(guò)臨界溫度之后失去電阻的特點(diǎn)所研發(fā)的超導(dǎo)變壓器不僅可以降低變壓器的損耗，還可以提高變壓器的抗短路性能［8］。

2.2 變壓器結(jié)構(gòu)改造

降低損耗僅僅采用導(dǎo)磁性能高的材料是不夠的，必須改進(jìn)變壓器結(jié)構(gòu)，使得材料的優(yōu)良性能得以充分發(fā)揮。變壓器的結(jié)構(gòu)改造是指通過(guò)優(yōu)化變壓器結(jié)構(gòu)達(dá)到節(jié)省材料、減少損耗的目的的方法。將鐵芯結(jié)構(gòu)由原來(lái)的直接縫改為半直半斜和全斜接縫，可以使得鐵芯接縫區(qū)的導(dǎo)磁方向得到緩和，降低空載損耗；適當(dāng)調(diào)整硅鋼片和電磁線的比例，減少電流密度，可以大幅度降低負(fù)載損耗［9］；新型的卷鐵芯變壓器由于幾乎沒(méi)有疊積接縫，連續(xù)卷繞又充分利用硅鋼片的取向性，且成自然緊固狀態(tài)，避免了因夾緊而引起的損耗增大。與傳統(tǒng)的疊積式鐵芯變壓器相比，卷鐵芯變壓器不僅在材料上節(jié)省，并且其空載損耗比疊積式鐵芯變壓器的空載損耗降低了20%～35%，空載電流降低了60%～80%［6］。在此基礎(chǔ)上，文［10］進(jìn)一步對(duì)卷鐵芯變壓器進(jìn)行優(yōu)化，提出了對(duì)稱三角形結(jié)構(gòu)的圓截面三相卷鐵芯變電壓器。此種新型變壓器的三相鐵芯磁路完全對(duì)稱，鐵軛大幅縮短，磁阻大大減小。并且鐵芯無(wú)接縫，芯柱填充系數(shù)高，性能顯著提高，是目前最理想的高效、節(jié)能、環(huán)保型變壓器。

2.3 合理選擇變壓器容量

變壓器的容量是在選擇變壓器時(shí)的重要參數(shù)。如果變壓器容量選擇過(guò)大，會(huì)增大變壓器的投資，也會(huì)增大變壓器的空載損耗，增加變壓器的運(yùn)行成本；如果變壓器容量選擇過(guò)小，會(huì)增大變壓器損耗，甚至導(dǎo)致變壓器長(zhǎng)期過(guò)載，加速絕緣老化從而縮短變壓器使用壽命。因此，合理選擇變壓器容量具有十分重要的節(jié)能意義與經(jīng)濟(jì)意義。此問(wèn)題主要有以下兩種解決方法：借助變壓器負(fù)載率來(lái)選擇變壓器容量［11，14，15］或采用綜合能效費(fèi)用最小的原則來(lái)選擇變壓器容量［16，17］。

變壓器的負(fù)載系數(shù)β定義為：

針對(duì)此，文［14］提出了更合理的最佳負(fù)載率的求取方法，即考慮負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行情況下，最佳負(fù)荷率求取公式為：

式中，P0為變壓器的空載損耗，單位為kW；PK為變壓器的短路損耗，單位為kW；τmax為最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，單位為h；T為全年使用小時(shí)數(shù)，單位為h。

考慮無(wú)功損耗情況下，最佳負(fù)荷率求取公式為：

式中，Q0為變壓器空載時(shí)電源側(cè)的勵(lì)磁功率（無(wú)功空載損耗），單位為kvar；QK為變壓器額定負(fù)載時(shí)所消耗的漏磁功率（無(wú)功負(fù)載損耗），單位為kvar；k為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量。

考慮變壓器的投資回收的情況下，最佳負(fù)荷率的求取公式為：

式中，k1為由價(jià)格折算為功率的系數(shù)（當(dāng)電價(jià)取0.5元時(shí)，k1取2）；kp為折算的現(xiàn)值系數(shù)，kp=［1-1/（1+i）n］/i，i為年利率；Se變壓器額定容量，單位為kVA。

同理，按照上述方法求得更合適的最佳負(fù)荷率之后，就可以代入式（3）來(lái)選擇變壓器的容量。但是由于變壓器的負(fù)荷一直在變化，很難控制變壓器一直工作在最佳負(fù)荷率處，在實(shí)際運(yùn)行中并不能采用這種方法來(lái)選擇。針對(duì)此，文［15］提出了一種按照變壓器的經(jīng)濟(jì)區(qū)間來(lái)選擇其經(jīng)濟(jì)容量的方法：已知變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間為［βL2，βL1］，根據(jù)最大負(fù)荷選擇變壓器容量，條件是：

并用最小負(fù)荷來(lái)校驗(yàn)，條件是：

由此可保證變壓器運(yùn)行時(shí)不會(huì)超出其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的區(qū)間，這種變壓器選擇的方法更具有實(shí)際意義。所述變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的求解方法在下文中將會(huì)提到。

不借助變壓器的負(fù)載系數(shù)的綜合能效費(fèi)用法是一種通過(guò)計(jì)算分析各可行技術(shù)方案下的變壓器的綜合能效費(fèi)用，選擇總費(fèi)用最少的方案為最經(jīng)濟(jì)方案的分析方法［16，17］：首先確定變壓器的類(lèi)型，選擇多種規(guī)格的變壓器作為待選方案，再根據(jù)已知參數(shù)按照下式計(jì)算變壓器的綜合能效費(fèi)用（TOC）值：

及變壓器綜合等效初始費(fèi)用ZEFCP ：

式中：CI為配電變壓器的初始費(fèi)用；POEFC空載損耗的等效初始費(fèi)用；PKEFC為負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用。

最終，根據(jù)變壓器容量選擇的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性的要求，選擇TOCEFC值與PZEFC值最小的兩個(gè)方案，再進(jìn)一步分析比較確定出變壓器在的最佳經(jīng)濟(jì)容量。

2.4 變壓器選擇經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式

變壓器按照優(yōu)良的材料和結(jié)構(gòu)制作、按照合理的容量選定之后，在實(shí)際運(yùn)行中采用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方案，可以進(jìn)一步減少損耗，實(shí)現(xiàn)變壓器節(jié)能。變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題涉及三個(gè)方面的研究：變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間、變壓器運(yùn)行方式間的經(jīng)濟(jì)切換、變壓器負(fù)載之間的經(jīng)濟(jì)分配。在進(jìn)行變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究時(shí)，可分別按照有功功率最小、無(wú)功損耗最小、綜合功率損耗最小三種情況建立模型。如以節(jié)約有功電量為主，應(yīng)按照有功功率損耗最小原則安排經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；如以提高功率因數(shù)為主，則應(yīng)按照無(wú)功功率損耗最小原則安排經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；如兩者兼顧或者以降低系統(tǒng)網(wǎng)損為主，則應(yīng)按照綜合功率損耗最小原則安排經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［18］。

2.4.1 變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間

變壓器的損耗是隨著負(fù)荷率的改變而變化的，當(dāng)空載或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變壓器的損耗是以鐵耗為主；隨著變壓器的負(fù)荷增加負(fù)載損耗逐漸增大，當(dāng)變壓器的負(fù)荷率大于某一數(shù)值時(shí)，負(fù)載損耗又會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。由第2.3節(jié)可知，變壓器存在著最佳負(fù)荷率，在這一負(fù)荷率下運(yùn)行時(shí)，變壓器的綜合電能損耗最小，運(yùn)行效率最高。由于變壓器的負(fù)荷率不能長(zhǎng)期維持在最佳負(fù)荷率下，實(shí)際運(yùn)行時(shí)常?？刂谱儔浩鞴ぷ髟诮?jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)。因此，確定變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間對(duì)于保證變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及合理選擇變壓器容量都具有重要的意義。

文［18］～［20］都對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的確定方法進(jìn)行了深入的研究，認(rèn)為：變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的上限值應(yīng)定為負(fù)載率β=1，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的下限值所對(duì)應(yīng)的損耗率應(yīng)與額定負(fù)載損耗率相等。運(yùn)用這種方法所確定的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，能夠保證變壓器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，損耗率低于額定負(fù)載損耗率，效率高于變壓器在額定負(fù)載下的運(yùn)行效率。

除上述方法之外，文［21］以變壓器的年電能損耗△W%不超過(guò)考慮無(wú)功損耗的最佳負(fù)載系數(shù)所對(duì)應(yīng)的年最小電能損耗△Wmin%的1%為約束條件來(lái)確定變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。由此得到的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間上下限所對(duì)應(yīng)的負(fù)載率為：

通過(guò)這種方法，結(jié)合變壓器的各級(jí)容量，可以求得以電能損耗最小為目的的適用于變壓器容量選擇的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間：如若認(rèn)為兩級(jí)變壓器容量極差為1.26，通過(guò)將兩個(gè)容量級(jí)的變壓器的年電能損耗進(jìn)行比較，可以求得△W1%=△W2%時(shí)的臨界負(fù)荷系數(shù)βr=0.905β0，再結(jié)合式（11）即可得到適合于變壓器容量選擇的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間所對(duì)應(yīng)的負(fù)載率為：

按照此區(qū)間選擇的變壓器的年損耗將比任何一臺(tái)容量變壓器的年電能損耗都小，保證了節(jié)能性。

2.4.2 變壓器運(yùn)行方式間的經(jīng)濟(jì)切換

單臺(tái)變壓器在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，通常采取使變壓器在其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)運(yùn)行的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能。但是在配電網(wǎng)中，還存在變壓器一用一備運(yùn)行、兩臺(tái)或多臺(tái)同容量變壓器并列運(yùn)行、兩臺(tái)或多臺(tái)不同容量變壓器并列運(yùn)行等多種運(yùn)行方式。在實(shí)際運(yùn)行中，常常根據(jù)負(fù)載的變化，在不同的運(yùn)行方式之間進(jìn)行切換，以實(shí)現(xiàn)綜合損耗最小的目標(biāo)，這就是變壓器運(yùn)行方式間的經(jīng)濟(jì)切換問(wèn)題。

經(jīng)濟(jì)切換問(wèn)題解決的關(guān)鍵是求得兩種不同運(yùn)行方式之間切換的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。文［22］認(rèn)為此轉(zhuǎn)折點(diǎn)的求解方法是：求出要切換的兩種變壓器運(yùn)行方式的綜合損耗△P與負(fù)載S的關(guān)系，兩種關(guān)系曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的負(fù)載就是兩種運(yùn)行方式之間進(jìn)行切換的臨界負(fù)載。如果此臨界負(fù)載點(diǎn)滿足不超過(guò)其滿載運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，就可以在此點(diǎn)處進(jìn)行運(yùn)行方式的切換；如果超過(guò)，則在其運(yùn)行方式達(dá)到臨界負(fù)載點(diǎn)時(shí)，就應(yīng)進(jìn)行運(yùn)行方式的切換。

值得注意的是，對(duì)于不同容量的變壓器并列運(yùn)行的情況，在求解變壓器運(yùn)行方式的綜合損耗△P與負(fù)載S的關(guān)系時(shí)應(yīng)將負(fù)載分配系數(shù)C考慮在內(nèi)。

文［23］指出，若完全根據(jù)負(fù)荷變化，在經(jīng)過(guò)最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)頻繁的切換變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行、變壓器及開(kāi)關(guān)的使用壽命等都具有負(fù)面影響。所以在實(shí)際操作中，考慮采用時(shí)段控制法，即根據(jù)短期負(fù)荷預(yù)報(bào)值，設(shè)置變壓器的動(dòng)作次數(shù)限制。結(jié)合所求得的變壓器運(yùn)行方式切換的理論轉(zhuǎn)折點(diǎn)，求得兼顧經(jīng)濟(jì)性與實(shí)際意義的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案，提前分配變壓器投切次數(shù)。

2.4.3 變壓器負(fù)載之間的經(jīng)濟(jì)分配

當(dāng)變壓器的總的用電負(fù)載不變，且變壓器的運(yùn)行方式也不變時(shí)，隨著變壓器間負(fù)載分配的變化，變壓器總的有功損失和無(wú)功消耗也會(huì)隨著改變。所以，通過(guò)對(duì)變壓器間的負(fù)載進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分配，可以使變壓器的總的有功功率損失和無(wú)功功率消耗降到最低值，以實(shí)現(xiàn)變壓器節(jié)能的目的［20］。變壓器負(fù)載之間的經(jīng)濟(jì)分配問(wèn)題主要是借助數(shù)學(xué)方法來(lái)解決。

文［20］，［24］和［25］均構(gòu)建了有功損耗△P與各自負(fù)載的視在功率S的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求解出有功損耗最小時(shí)各變壓器負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)表達(dá)式：

兩臺(tái)或多臺(tái)容量相同的變壓器間的負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)為：

式中：Cj表示第j臺(tái)變壓器的負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)；Pjk表示第j臺(tái)變壓器的短路損失；Pik表示第i臺(tái)變壓器的短路損失。

兩臺(tái)或多臺(tái)容量不同的變壓器間的負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)為：

式中：SjN表示第j臺(tái)變壓器的額定容量；SiN表示第i臺(tái)變壓器的額定容量。

按照此表達(dá)式求得的各變壓器負(fù)載視在功率即為容量分配時(shí)最經(jīng)濟(jì)的方案。

由式（13）、（14）可得出負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配的規(guī)律：兩臺(tái)或多臺(tái)容量相同的變壓器間的負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)，與變壓器自身的短路損失成反比；兩臺(tái)或多臺(tái)容量不同的變壓器間的負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)，與變壓器自身的短路損失成反比，與變壓器的容量的平方成正比。

上述經(jīng)濟(jì)分配方法可以達(dá)到變壓器運(yùn)行時(shí)有功功率損耗最小的目的，從而大幅節(jié)約有功電量。若在實(shí)際運(yùn)行中以提高功率因數(shù)為主，則應(yīng)按照無(wú)功功率損耗最小的原則分配負(fù)載；若兩者兼顧或者以降低系統(tǒng)網(wǎng)損為主，則應(yīng)按照綜合功率損耗最小的原則分配負(fù)載。針對(duì)此，文［25］構(gòu)建了模型，分析了無(wú)功功率損耗最小原則與綜合功率損耗最小原則下的負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配問(wèn)題，滿足了不同的運(yùn)行要求，使得變壓器負(fù)載之間的經(jīng)濟(jì)分配模型更完善。

2.5 采用無(wú)功補(bǔ)償裝置

由1.2.2節(jié)可知，變壓器的無(wú)功功率損耗是變壓器的主要損耗之一。如果可以使變壓器的無(wú)功功率從負(fù)載處得到補(bǔ)償，則可以有效減少變壓器的無(wú)功功率損耗。文［26］通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將不同負(fù)載功率、不同功率因數(shù)下的變壓器損耗進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了通過(guò)提高變壓器負(fù)載側(cè)的功率因數(shù)來(lái)降低變壓器的無(wú)功功率損耗是行之有效的。因此，采用無(wú)功補(bǔ)償裝置在變壓器的負(fù)載側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，也是實(shí)現(xiàn)變壓器節(jié)能的重要方法之一。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)功補(bǔ)償裝置做出了大量研究，傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有［27］：靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC、靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVG、有源濾波器APF等。靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角，改變輸入電網(wǎng)中的等效電納，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)無(wú)功輸出的目的［28］，但是因?yàn)榄h(huán)流元件沒(méi)有斷流能力，使其對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較多的諧波電流，而且對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的調(diào)節(jié)能力也不夠理想。針對(duì)此，基于電力電子逆變技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償裝置如靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVG、有源濾波器APF就有著優(yōu)良的性能。靜止無(wú)功發(fā)生器SVG通過(guò)調(diào)節(jié)橋式逆變電路的交流側(cè)輸出電壓相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，來(lái)產(chǎn)生或吸收滿足要求的無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)從感性到容性無(wú)功功率全范圍的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償［29］；有源濾波器APF則以系統(tǒng)中的諧波電流為主要補(bǔ)償目標(biāo)，其中并聯(lián)型APF可以產(chǎn)生與負(fù)載諧波大小相等、方向相反的諧波電流，從而將電流補(bǔ)償為正弦波［30］，因此能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中實(shí)時(shí)變化的諧波電流和無(wú)功功率同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。

除了上述傳統(tǒng)的用于用戶側(cè)就地補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置之外，針對(duì)變壓器負(fù)載側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，文［31］提出了一種新型配電變壓器一體化靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)（DT-STATCOM）。DT-STATCOM將傳統(tǒng)的配電變壓器和電力電子靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置相集成，綜合利用配電變壓器多側(cè)的信息，實(shí)現(xiàn)在高、低電壓等級(jí)交匯點(diǎn)的無(wú)功功率及電能質(zhì)量的綜合補(bǔ)償控制。這種技術(shù)有效降低了電力電子器件的耐壓要求，簡(jiǎn)化了補(bǔ)償單元逆變橋的結(jié)構(gòu)，可以充分的利用變壓器的富余容量，提高效率，是采用無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓器節(jié)能的新方法。

2.6 變壓器全壽命周期管理

全壽命周期（Life Cycle）是指“產(chǎn)品從自然界獲取資源、能源，經(jīng)開(kāi)采冶煉、加工制造等生產(chǎn)過(guò)程，又經(jīng)儲(chǔ)存、銷(xiāo)售、使用消費(fèi)直至報(bào)廢處置各階段的全過(guò)程，即產(chǎn)品從搖籃到墳?zāi)?，進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的整個(gè)生命周期［32］”。全壽命周期分析（LCA）則是一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中，即從原材料的獲取、產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用直至產(chǎn)品使用后的處置過(guò)程，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的技術(shù)的方法［33］。

文［12］搭建一個(gè)基于實(shí)時(shí)狀態(tài)的，兼顧經(jīng)濟(jì)性和可靠性的變壓器狀態(tài)檢修模型，著重關(guān)注變壓器的絕緣故障診斷、絕緣壽命評(píng)估、變壓器狀態(tài)評(píng)估、變壓器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、變壓器全壽命周期成本評(píng)估等關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)綜合考慮技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的大型電力變壓器狀態(tài)檢修策略。利用全壽命周期管理的理念促使電力企業(yè)綜合考慮檢測(cè)費(fèi)用和系統(tǒng)故障后確定最佳的檢修方案，并采用合理的維修方式，減少設(shè)備檢測(cè)和維修總費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備使用周期，保證設(shè)備的可靠性，可以恰當(dāng)好處地統(tǒng)籌兼顧變壓器安全運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性影響因素。文［12］基于全壽命周期管理的思想，從變壓器的實(shí)時(shí)狀態(tài)出發(fā)，綜合考慮其運(yùn)行及檢修的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)變壓器的狀態(tài)制定狀態(tài)檢修策略，以全面提升精益管理和科學(xué)決策的水平，縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距。企業(yè)實(shí)施變壓器節(jié)能改造需要關(guān)注變壓器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)制定合理的狀態(tài)檢修策略，最大化提高變壓器安全運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)變壓器的節(jié)能和改造，避免對(duì)變壓器過(guò)度維修，造成巨大的資源浪費(fèi)和能源浪費(fèi)。筆者曾提出一種基于動(dòng)態(tài)修正技術(shù)的電力變壓器可靠性評(píng)估模型［13］，該模型選取變壓器油紙絕緣系統(tǒng)作為評(píng)估對(duì)象，取熱點(diǎn)溫度（Hot Spot Temperature，HST）為問(wèn)題出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合威布爾分布（Weibull）和阿列紐斯（Arrhenius）反應(yīng)定律，建立基于HST的變壓器老化故障模型，用于描述變壓器的老化過(guò)程，通過(guò)計(jì)算繞組HST求解變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的故障率，然后，利用變壓器油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis，DGA）數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色理論，對(duì)基于HST的老化故障模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，確保其評(píng)估值很好地跟蹤并反映變壓器的實(shí)際可靠性水平，通過(guò)江門(mén)供電局的數(shù)據(jù)作為實(shí)例分析，驗(yàn)證所建立模型的有效性。筆者提出的這種模型可輔助電力企業(yè)對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并制定合理的狀態(tài)檢修策略，減少變壓器因?yàn)檫^(guò)度維修發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)及時(shí)有效的運(yùn)行維護(hù)，使變壓器的檢修效率提高，檢修成本減少，可為進(jìn)一步開(kāi)展節(jié)能改造奠定實(shí)施基礎(chǔ)，因此，可以從變壓器全周期壽命管理的角度出發(fā)來(lái)考慮變壓器節(jié)能改造，將產(chǎn)生一定的節(jié)能效益。

3 變壓器節(jié)能算例分析

3.1 運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)切換法進(jìn)行變壓器節(jié)能

本節(jié)選取某一有兩臺(tái)變壓器的變電所的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行算例分析。以第2節(jié)中所提到的對(duì)變壓器的運(yùn)行方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)切換，并對(duì)變壓器的負(fù)荷進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分配的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式為例，求得變壓器在此經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式下的能耗，并與其在傳統(tǒng)運(yùn)行方式下的電能損耗進(jìn)行對(duì)比分析，得出變壓器在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式下的節(jié)能潛力。

表1 變電所變壓器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Substation transformer technical parameters

3.1.1 基本的參數(shù)計(jì)算

此變電所的基本參數(shù)如表1所示。

此變電所的負(fù)荷用年持續(xù)負(fù)荷曲線表示，如圖1所示。

結(jié)合表1，由式（1）（其中，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量k取0.1 kW/kvar）可得，對(duì)變壓器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。則變壓器A的綜合功率損耗為：ΔPAZ=PA0Z+（SC/SAN）2*PAKZ。同理，對(duì)于變壓器B，則為：QB0=IB0%*SBN*10-2=9.6kvar，QBK=UBK%*SBN*10-2=72kvar，PB0Z=PB0+kQB0=3.66kW，PBKZ=PBK+kQBK=18.8kW。則變壓器B的綜合功率損耗為：ΔPBZ=PB0Z+（SC/ SBN）2*PBKZ。

圖1 變電站年持續(xù)負(fù)荷曲線Fig.1 Substation yearly sustained load curve

當(dāng)變壓器AB并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，將變壓器AB的參數(shù)代入式（14），可得兩變壓器的負(fù)載經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)為：CA=0.369，CB=0.631。A、B兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行時(shí)的綜合功率損耗計(jì)算為：ΔPABZ=PA0Z+PB0Z+（SC*CA/ SAN）2*PABZ+（SC*CB/SBN）2*PBKZ。

3.1.2 變壓器傳統(tǒng)運(yùn)行方式耗能分析

傳統(tǒng)的運(yùn)行方式認(rèn)為變壓器的負(fù)載率越高運(yùn)行越經(jīng)濟(jì)。國(guó)內(nèi)大多數(shù)用戶的變壓器采用傳統(tǒng)的運(yùn)行方式，即兩臺(tái)以上的變壓器運(yùn)行時(shí)，只有在一臺(tái)滿載后，另一臺(tái)才投入使用。因此，此變電所采用傳統(tǒng)運(yùn)行方式時(shí)的運(yùn)行方案為：當(dāng)0＜h≤3100時(shí)，安排A臺(tái)變壓器單獨(dú)運(yùn)行；當(dāng)3100＜h≤7100時(shí)，安排B臺(tái)變壓器單獨(dú)運(yùn)行；當(dāng)7100＜h≤8760時(shí)，安排A、B兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行。在此運(yùn)行方式下的電能損耗ΔA傳統(tǒng)=ΔA0＜h≤3100+ΔA3100＜h≤7100+ΔA7100＜h≤8760=9845.794+43086.141+41380.707=94312.642kWh。

3.1.3 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式耗能分析

圖2 三種運(yùn)行方式下的綜合功率損耗ΔP與負(fù)載容量SC之間的關(guān)系曲線Fig.2 The relation curves of comprehensive power loss ΔP and load capacity SCin three operation modes

由圖2可知，當(dāng)負(fù)載容量0kVA＜SC≤328.7kVA時(shí)，變壓器A單獨(dú)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)；當(dāng)負(fù)載容量328.7kVA＜SC≤1600kVA時(shí)，變壓器B單獨(dú)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)；當(dāng)負(fù)載容量SC＞1600kVA時(shí)，負(fù)載容量已經(jīng)超過(guò)變壓器B的額定容量，此時(shí)應(yīng)安排A、B兩臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行。

因此，此變電所采用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式時(shí)的運(yùn)行方案為：當(dāng)0＜h≤3100時(shí)，安排A臺(tái)變壓器單獨(dú)運(yùn)行；當(dāng)3100＜h≤7100時(shí)，安排B臺(tái)變壓器單獨(dú)運(yùn)行；當(dāng)7100＜h≤8760時(shí)，安排A、B兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行。在此運(yùn)行方式下的電能損耗為：ΔA傳統(tǒng)=ΔA0＜h≤3100+ΔA3100＜h≤7100+ΔA7100＜h≤8760=9845.794+26484.734+ 41380.706=77711.234kWh。綜合兩種方法的電能損耗結(jié)果，采用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式時(shí)的節(jié)電百分比為：ΔA節(jié)能%=（ΔA傳統(tǒng)-ΔA經(jīng)濟(jì)）/（ΔA傳統(tǒng)）=（94312.642-77711.234）/94312.642≈17.60%。由此可得，采用對(duì)變壓器運(yùn)行方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)切換，可以大幅減少電能損耗，具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義。

3.2 無(wú)功功率補(bǔ)償進(jìn)行變壓器節(jié)能

3.2.1 無(wú)功功率消耗簡(jiǎn)析

在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，阻感負(fù)載占有很大的比例，如異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等都是典型的阻感負(fù)載。異步電動(dòng)機(jī)和變壓器所消耗的無(wú)功功率在電力系統(tǒng)所提供的無(wú)功功率中占有很高的比例，當(dāng)然，電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也會(huì)消耗一些無(wú)功功率。阻感負(fù)載必須吸收無(wú)功功率才能正常工作，這是由其本身的性質(zhì)所決定的。對(duì)于一些電力電子裝置等非線性裝置，也會(huì)消耗無(wú)功功率，特別是各種相控裝置，同時(shí)，這些裝置也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，而諧波源都要消耗無(wú)功功率的。

無(wú)功功率對(duì)公用電網(wǎng)的影響主要包括：a）增加設(shè)備容量。無(wú)功功率增加會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，同時(shí)，電力用戶的起動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的尺寸和規(guī)格也要加大；b）設(shè)備及線路損耗增加。無(wú)功功率增加導(dǎo)致總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加；c）使線路及變壓器的電壓降增大。如果是沖擊性無(wú)功功率負(fù)載，還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。

有功功率的波動(dòng)一般對(duì)電網(wǎng)電壓的影響較小，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)主要由無(wú)功功率的波動(dòng)引起的。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)期間，功率因數(shù)很低，這種沖擊性無(wú)功功率會(huì)使電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)，甚至使接在同一電網(wǎng)上的用戶無(wú)法正常工作，例如，電弧爐等大型設(shè)備會(huì)產(chǎn)生頻繁的無(wú)功功率沖擊，嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電質(zhì)量［35］。

3.2.2 無(wú)功補(bǔ)償方案簡(jiǎn)介［36-45］

在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個(gè)最基本、最重要的指標(biāo)。為確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。頻率的控制與有功功率的控制密切相關(guān)，而電壓控制的重要方法之一是對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行控制?？刂茻o(wú)功功率的方法很多，可采用：a）同步發(fā)電機(jī)；b）同步調(diào)相機(jī)；c）并聯(lián)電容器；d）靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。其中，由于并聯(lián)電容器簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、方便靈活，已逐步取代同步調(diào)相機(jī)，而靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置作為一種新型的無(wú)功補(bǔ)償裝置，近年來(lái)不斷發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛。根據(jù)電容器安裝的位置不同，并聯(lián)電容器補(bǔ)償無(wú)功功率補(bǔ)充通常有三種方式：

1）集中補(bǔ)償：電容器組集中裝設(shè)在企業(yè)或地方總降壓變電所的6～10kV母線上，用來(lái)提高整個(gè)變電所的功率因數(shù)，使該變電所供電范圍內(nèi)無(wú)功功率基本平衡，可減少高壓線路的無(wú)功損耗，而且能夠提高變電所的供電電壓質(zhì)量；

2）分組補(bǔ)償：將電容器組分別裝設(shè)在功率因數(shù)較低的車(chē)間變配電所高壓或低壓母線上，也稱為分散補(bǔ)償，這種方式具有與集中補(bǔ)償相同的優(yōu)點(diǎn)，僅無(wú)功補(bǔ)償容量和范圍相對(duì)小些，但是分組補(bǔ)償?shù)男Ч容^明顯，采用得也較普遍；

3）就地補(bǔ)償：將電容器或電容器組裝設(shè)在異步電動(dòng)機(jī)或電感性用電設(shè)備附近，就地進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，也稱為單獨(dú)補(bǔ)償或個(gè)別補(bǔ)償方式。這種方式既能提高用電設(shè)備供電回路的功率因數(shù)，又能改善用電設(shè)備的電壓質(zhì)量，對(duì)中、小型設(shè)備十分適用。近年來(lái)，隨著我國(guó)逐步具備生產(chǎn)低壓自愈式并聯(lián)電容器的能力，且型號(hào)規(guī)格日漸齊全，為就地補(bǔ)償方式的推廣創(chuàng)造了有利條件，并已有許多成功應(yīng)用的實(shí)例。

若能將三種補(bǔ)償方式統(tǒng)籌考慮、合理布局，將可取得很好的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.3 無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能效益算例分析

以貴州省某水泥廠企業(yè)節(jié)能改造為例，對(duì)其供配電系統(tǒng)及所屬用電設(shè)備進(jìn)行節(jié)能分析，對(duì)其中6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息如表2所示。雖然該企業(yè)功率因數(shù)整體長(zhǎng)期保持在0.92～0.95左右，每月可得到供電公司獎(jiǎng)勵(lì)，但就當(dāng)天現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量情況來(lái)看，有些變壓器當(dāng)天平均功率因數(shù)仍低于0.9（如3#3等），甚至有些低于0.8（如2#2等），因此對(duì)變壓器提高功率因數(shù)還是有一定必要的，下面根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算將所有變壓器功率因數(shù)值均提高到0.95以上所帶來(lái)的節(jié)能效益［34］。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息表（變壓器）Tab.2 The field measuring points information （transformers）

式中P2為變壓器有功功率，cosφ1為原功率因數(shù)的測(cè)量值，cosφ2取為補(bǔ)償后的值，取0.95。

根據(jù)該式，再根據(jù)實(shí)際測(cè)量值可計(jì)算出每30s的節(jié)電電量，最后綜合計(jì)算即可得當(dāng)天實(shí)際通過(guò)補(bǔ)償功率因數(shù)提到0.95的節(jié)能電量，可用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

以上公式中所有值均取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這樣的計(jì)算是非常精確的，當(dāng)然其前提是假設(shè)在測(cè)量間隔30s內(nèi)，變壓器負(fù)荷是沒(méi)有任何波動(dòng)的，這一點(diǎn)在工程計(jì)算中是完全可以認(rèn)可的。因此根據(jù)式（15），可得30s中變壓器節(jié)能電量為：

而一天中P2與cosφ1的值都是不斷變化的，因此，需要將一天24小時(shí)分為每30秒一段，總共為2880段，要計(jì)算一天的節(jié)能電量，只需直接將這2880段的節(jié)能電量直接相加即可得到：

式中P2n為第n段時(shí)間時(shí)的有功功率測(cè)量值，cosφ1n為第n段時(shí)間的功率因數(shù)測(cè)量值。而這些值都是被測(cè)量?jī)x器記錄并保存下來(lái)的，可直接利用公式進(jìn)行計(jì)算。

以下為當(dāng)天測(cè)量記錄的各測(cè)量點(diǎn)有功功率變化曲線與將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中繪出的功率因數(shù)變化曲線，如圖3（a）～（j）所示。

直接將上述計(jì)算公式編寫(xiě)為MATLAB計(jì)算程序，然后將各變壓器數(shù)據(jù)及測(cè)量數(shù)據(jù)代入程序中即可計(jì)算得到功率補(bǔ)償對(duì)測(cè)量當(dāng)天帶來(lái)的節(jié)能效益，假設(shè)該測(cè)量當(dāng)天即為全年平均值，則將該值乘以365即可得到無(wú)功補(bǔ)償后的年節(jié)電量?？刹捎煤虵luke435配套開(kāi)發(fā)的專用軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下表3所示。

由表3可計(jì)算所測(cè)五個(gè)變壓器測(cè)量點(diǎn)通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償?shù)目偟哪旯?jié)電效益約為：

年節(jié)電量=31266.4kWh；折合標(biāo)煤=31266.4/10000×3.6=11.80tce；折合CO2排放量=30.92噸；節(jié)能效益=31266.4/10000×0.46=1.51萬(wàn)元。

觀察計(jì)算結(jié)果可知，雖然節(jié)能效益并不是十分的高，但對(duì)各變壓器進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償從節(jié)能角度而言是很有必要的，當(dāng)然，具體到各廠，則需針對(duì)自身情況進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。建議企業(yè)根據(jù)自身情況，優(yōu)先對(duì)功率因數(shù)不夠高的點(diǎn)和無(wú)功補(bǔ)償節(jié)電效益較高的點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以降低電能的損耗，提高能源的利用率。由于貴州該水泥廠企業(yè)配變的功率因數(shù)相對(duì)不高，無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓?jié)電率相當(dāng)高，平均達(dá)到了20%左右。盡管目前由于負(fù)載率較低，絕對(duì)損耗不大，但是，當(dāng)負(fù)載率較高時(shí)，絕對(duì)損耗將大幅增長(zhǎng)，總的節(jié)能效果就非常突出了。

圖3 有功功率和功率因數(shù)變化曲線Fig.3 Active power and power factor variation curves

表3 各測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后的年節(jié)電量Tab.3 Year energy saving amount of each measuring point after reactive power compensation

4 變壓器節(jié)能方法展望

除了第2節(jié)中所列舉的方法之外，根據(jù)影響變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的因素，變壓器節(jié)能問(wèn)題還可以向下列方向展開(kāi)深入研究：

（1）穩(wěn)定變壓器運(yùn)行電壓。變壓器的有功損耗與電壓的平方成正比，一般情況下，變壓器過(guò)電壓5%運(yùn)行時(shí)，鐵損將增加15%；過(guò)電壓10%運(yùn)行，鐵損增加50%以上并且空載損耗也會(huì)大幅增加，即增加了電網(wǎng)的無(wú)功損耗。所以，應(yīng)采取自動(dòng)調(diào)壓器等裝置避免改善電能質(zhì)量，變壓器過(guò)電壓運(yùn)行。

（2）維持變壓器三相負(fù)荷平衡。變壓器的負(fù)荷損耗隨變壓器的運(yùn)行負(fù)荷的變化而變化，與負(fù)荷的電流成正比。當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí)，變壓器損耗最?。欢?dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)，變壓器的負(fù)荷損耗等于三只單相變壓器的負(fù)荷損耗之和，甚至最大不平衡狀態(tài)時(shí)的損耗為平衡時(shí)的三倍。此外，低壓側(cè)的三相負(fù)荷不平衡也會(huì)造成高壓側(cè)的線路損耗。因此，采取方法或裝置維持變壓器三相負(fù)荷平衡也是降低變壓器損耗的重要措施。

（3）降低變壓器運(yùn)行的溫度。變壓器繞組的電阻隨著溫度的升高而增大，溫度每L降低1℃，負(fù)載損耗可降低0.32%。因此，優(yōu)化變壓器的溫控及降溫措施，對(duì)于降低變壓器損耗具有重要意義。

（4）盡可能大力推廣使用新型節(jié)能變壓器，并開(kāi)展節(jié)能改造方面的深入研究。

5 總結(jié)

在電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)絡(luò)損耗中，變壓器損耗占據(jù)很大的比例，這使得變壓器節(jié)能成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。本文基于這樣的背景，對(duì)變壓器的功率損耗來(lái)源進(jìn)行分析，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外變壓器節(jié)能的方法和技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的綜述，具體包括：優(yōu)化變壓器材料、變壓器結(jié)構(gòu)改造、變壓器容量的合理選擇、變壓器全壽命周期管理、變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和采用無(wú)功補(bǔ)償裝置等。

然后，文章通過(guò)選取變壓器運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)切換的方法和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行變壓器節(jié)能分析和耗能計(jì)算，發(fā)現(xiàn)采取變壓器運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)切換方法可比傳統(tǒng)運(yùn)行方法節(jié)能17.6%，而采用無(wú)功功率補(bǔ)償措施則對(duì)于提高節(jié)能顯得十分必要。通過(guò)實(shí)例分析，可得出對(duì)變壓器進(jìn)行節(jié)能和改造研究，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，也表明當(dāng)前變壓器的運(yùn)行方式存在著很大的節(jié)能潛力。最后，對(duì)變壓器的節(jié)能方法做了簡(jiǎn)單展望，在穩(wěn)定變壓器運(yùn)行電壓、維持變壓器三相負(fù)荷平衡和降低變壓器運(yùn)行的溫度等方面進(jìn)行變壓器節(jié)能改造還較為薄弱，建議今后專線用戶企業(yè)尤其是高耗能企業(yè)，應(yīng)大力推廣使用新型節(jié)能變壓器，同時(shí)開(kāi)展變壓器節(jié)能改造方面的深入研究。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.004

基金項(xiàng)目：中國(guó)南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目資助（［2015］000303ZB00002）

作者簡(jiǎn)介：程樂(lè)峰（1990-），男，漢族，碩士，主要研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化、電力系統(tǒng)智能優(yōu)化及控制等方面研究；陳藝璇（1994-），女，漢族，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與分析等；余濤（1974-），男，漢族，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜電力系統(tǒng)的非線性控制理論和仿真、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