工業(yè)園區(qū)多臺(tái)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式研究

李百可，鞠振河，潘冬輝

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，就是充分利用現(xiàn)有設(shè)備條件，通過(guò)擇優(yōu)選取運(yùn)行方式并按變壓器的運(yùn)行條件來(lái)調(diào)整負(fù)荷，使得在供電量相同的情況下，最大限度地降低變壓器的損耗。所以，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的實(shí)質(zhì)就是變壓器的少消耗電能的運(yùn)行。對(duì)鞍山工業(yè)園區(qū)變電所4臺(tái)短路阻抗不同的變壓器，在不同并列運(yùn)行方式下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，在相同負(fù)載條件下，通過(guò)計(jì)算求出變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載系數(shù)，并據(jù)此畫出變電所內(nèi)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線求其交點(diǎn)，按負(fù)載從小到大的順序選出變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。

由于不同變壓器的技術(shù)特性存在差異和變壓器的有功損耗與負(fù)載存在函數(shù)關(guān)系，因此根據(jù)不同負(fù)載大小，可按照經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載通過(guò)Matlab仿真軟件，畫出變壓器損耗ΔP與負(fù)載S之間關(guān)系的曲線，以此來(lái)選取技術(shù)參數(shù)恰當(dāng)?shù)淖儔浩饕宰罴训慕M合方式運(yùn)行，從而降低變壓器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的不必要的經(jīng)濟(jì)損失和電量損失。

1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行簡(jiǎn)介

1.1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的概念

變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是使變壓器綜合功率損耗減到最小的運(yùn)行方式。理論上講變壓器的功率損耗包括有功功率損耗、無(wú)功功率損耗和負(fù)載損耗。

變壓器的有功功率損耗包括空載損耗P0和短路損耗Pk，其中空載損耗又稱不變損耗，而短路損耗與電流的二次方有關(guān)，又稱可變損耗。變壓器有功損耗ΔP計(jì)算公式為

(1)

式中，β為變壓器負(fù)載系數(shù)；I2為變壓器負(fù)載側(cè)負(fù)載電流(A)；I2N為變壓器負(fù)載側(cè)額定電流(A)；P2為變壓器負(fù)載側(cè)有功功率(kW)；SN為變壓器額定容量；cosφ為變壓器負(fù)載側(cè)功率因數(shù)。

另外，變壓器的無(wú)功功率損耗其實(shí)遠(yuǎn)大于有功功率損耗，其中包括勵(lì)磁損耗Q0和漏磁損耗Qk，則變壓器側(cè)無(wú)功功率計(jì)算公式為

ΔQ=Q0+β2Qk

(2)

變壓器綜合功率損耗公式為

ΔPZ=∑ΔP0+∑β2ΔPk

(3)

其中：

ΔP0=ΔP+KQQ0+KPP0

(4)

ΔPk=Pk+KQQk+KPPk

(5)

式中，KP為有功功率經(jīng)濟(jì)當(dāng)量；KQ為無(wú)功功率經(jīng)濟(jì)當(dāng)量。

所以由上述公式可知，在變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)算當(dāng)中，求得變壓器的負(fù)載系數(shù)至關(guān)重要。當(dāng)采用優(yōu)質(zhì)節(jié)能變壓器或變壓器負(fù)載系數(shù)維持在經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)上下時(shí)，變壓器的功率損耗自然會(huì)隨之減少。

1.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要性

變壓器是在電力系統(tǒng)輸電和配電過(guò)程中應(yīng)用極為廣泛的電氣設(shè)備。在變壓器運(yùn)行過(guò)程中，變壓器雖電能損耗不大，但變壓器負(fù)載時(shí)間很長(zhǎng)，綜合其損耗的電能大約會(huì)占發(fā)電量的10%左右，占電力系統(tǒng)總損耗的30%以上。所以，變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的節(jié)能損耗具有重要的意義。降低變壓器的損耗既能為發(fā)、供電企業(yè)節(jié)約電能，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益，又能改善環(huán)境、支持溫室氣體減排工作，從而實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)變電所的目標(biāo)。

2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臺(tái)數(shù)分析

2.1 確定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方法分析

在變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)算過(guò)程中，經(jīng)常把變壓器作為理想變壓器，忽略計(jì)算過(guò)程中帶來(lái)的不便，但在實(shí)際計(jì)算中會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，例如實(shí)際變壓器兩側(cè)電壓變比與額定電壓比不同、變壓器短路阻抗不同等等。在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)算過(guò)程中也會(huì)面對(duì)各種各樣的問(wèn)題，例如變壓器并聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的確定、大容量變壓器與小容量變壓器之間優(yōu)先選擇的確定、不同視在負(fù)載功率變壓器優(yōu)先選擇的確定，最主要的還是變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的確定。

1)潮流分析法，采用經(jīng)典的潮流計(jì)算方法進(jìn)行潮流計(jì)算，可以得出各節(jié)點(diǎn)的電壓以及變壓器各條支路上的功率流和損耗，即在已知變壓器參數(shù)和變壓器兩端所帶負(fù)荷時(shí)，可通過(guò)Etap軟件來(lái)進(jìn)行仿真分析，求各臺(tái)變壓器的損耗之和。也就是在中低壓側(cè)母線負(fù)荷已知的條件下，求出不同運(yùn)行方式下的變壓器損耗。通過(guò)比較不同運(yùn)行方式下產(chǎn)生損耗的大小，得出最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。雖然此方法具有很高的可靠性，但存在計(jì)算量大、耗時(shí)問(wèn)題。

2)原始數(shù)據(jù)改善法，即對(duì)變壓器的空載損耗和短路損耗重新進(jìn)行計(jì)算，對(duì)兩種損耗進(jìn)行重新估值，進(jìn)而大大提高了計(jì)算精度和可信度，但其計(jì)算量偏大，不利于實(shí)際操作。

3)最常用的是臨界點(diǎn)劃分法，當(dāng)計(jì)算出經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，畫出不同負(fù)載損耗的曲線時(shí)，求其交點(diǎn)來(lái)獲得功率臨界點(diǎn)，從而劃分出經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。變壓器負(fù)載損耗與S關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 變壓器負(fù)載損耗ΔP與S關(guān)系曲線

從圖1中可以看出有三條曲線并有三個(gè)交點(diǎn)，當(dāng)視在負(fù)載S在0～500 kVA時(shí)，接入不同型號(hào)的變壓器或兩臺(tái)變壓器時(shí)，y3變壓器運(yùn)行功率損耗最小，最為經(jīng)濟(jì)，交點(diǎn)處即y1和y3變壓器所產(chǎn)生的功率損耗的臨界點(diǎn)。當(dāng)總負(fù)荷S在500～1 100 kVA時(shí)，變壓器y1所產(chǎn)生的運(yùn)行功率損耗最小，當(dāng)總負(fù)荷S>1 100 kVA時(shí)，y1和y3兩臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行更為經(jīng)濟(jì)，獲得臨界點(diǎn)時(shí)，就可以確定變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。

2.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的計(jì)算

1)兩臺(tái)容量不同的A、B變壓器，單臺(tái)變壓器功率損耗公式為

(6)

令A(yù)、B兩變壓器負(fù)載損耗ΔP相等，可求得各自單臺(tái)運(yùn)行時(shí)的臨界負(fù)載功率SA-B,則SA-B的計(jì)算公式為

(7)

由式可知，在SA-B≤SB時(shí),則S≤SA-B為變壓器A先獨(dú)自運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，反之，B變壓器獨(dú)自運(yùn)行經(jīng)濟(jì)；反之亦然。

2)單臺(tái)與兩臺(tái)并列運(yùn)行時(shí)，即求A變壓器與A、B并列運(yùn)行時(shí)的臨界負(fù)載功率，單臺(tái)A變壓器功率損耗公式為

(8)

A、B并列運(yùn)行時(shí)的功率損耗為

(9)

所以，當(dāng)ΔPA=ΔPAB時(shí)，可求得兩種運(yùn)行方式的臨界負(fù)載功率SA-AB,計(jì)算式為

(10)

由式可知，當(dāng)SA-AB≤SB時(shí)，則S≤SA-AB為變壓器A獨(dú)自運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，S>SA-AB為A、B并聯(lián)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)；反之亦然。

所以，在采用臨界點(diǎn)劃分法時(shí)，一定要計(jì)算出不同運(yùn)行方式下負(fù)載損耗功率的臨界點(diǎn)，即畫負(fù)載損耗曲線的交點(diǎn)，然后才能確定變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。

3 工程實(shí)例

鞍山工業(yè)園區(qū)南園變電所有主變壓器4臺(tái)，其參數(shù)如表1所示。

表1 南園變電所變壓器參數(shù)

1)由表1可以看出是4臺(tái)短路阻抗和額定容量不同的雙繞組變壓器，因?yàn)椴⒙?lián)運(yùn)行的變壓器短路電壓算術(shù)平均值相差較大，因此需計(jì)算4臺(tái)變壓器并列運(yùn)行的負(fù)載分配情況。采用的方法是臨界劃分法，需計(jì)算出變壓器的負(fù)載損耗ΔP與負(fù)載系數(shù)β，畫出負(fù)載損耗ΔP與視在負(fù)載S的關(guān)系曲線，通過(guò)臨界點(diǎn)劃分出經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，從而確定變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

各臺(tái)變壓器的負(fù)載系數(shù)公式為

(11)

式中，Uk為短路電壓百分比；SNi為單臺(tái)變壓器的額定容量(kVA)；S為N臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行的總負(fù)荷(kVA)。

根據(jù)公式(6)～(9)，可以畫出負(fù)載損耗ΔP與視在負(fù)載功率S的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 4臺(tái)變壓器所有運(yùn)行方式下負(fù)載損耗曲線

根據(jù)公式(7)，可以計(jì)算出S7-5=246.797(kVA),根據(jù)Matlab仿真曲線可以計(jì)算其他運(yùn)行方式下的臨界負(fù)載功率，如表2所示。

表2 臨界點(diǎn)負(fù)載功率

用Matlab求交點(diǎn)程序進(jìn)行驗(yàn)證，臨界點(diǎn)值誤差很小，如圖3所示。

圖3 5#與7#變壓器負(fù)載損耗曲線

經(jīng)過(guò)Matlab仿真運(yùn)算可得交點(diǎn)值為246.792 2 kVA。

2)根據(jù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行節(jié)約功率的計(jì)算公式，單臺(tái)與單臺(tái)比(A比B)：

(12)

單臺(tái)與兩臺(tái)比(A比AB)：

(13)

以本例鞍山變電所來(lái)說(shuō)，近一年之中變電所所帶負(fù)荷，如表3所示。

表3 變電所一年內(nèi)各個(gè)月份所帶負(fù)荷

根據(jù)表3所載負(fù)荷，應(yīng)采用的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式如表4所示。

表4 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式

已知鞍山變電所的變壓器運(yùn)行方式為1、3、5三臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)表4得出的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，各個(gè)月變壓器運(yùn)行電能損耗比較如表5所示。

表5 各個(gè)月變壓器運(yùn)行電能損耗比較

由表5可知，通過(guò)確定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，選擇合適變壓器運(yùn)行方式后，一年中節(jié)省的電能損耗為ΔP=2 019.45 kW，若按照電價(jià)0.5 kW/h算，每年大約節(jié)省24 233.4元。

綜上所述，盡管變壓器的損耗不是很大，但變壓器運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，日積月累，累計(jì)降損節(jié)能效果明顯，節(jié)電效益將是可觀的。

4 結(jié) 語(yǔ)

變壓器是電力系統(tǒng)輸電過(guò)程中必不可少的一環(huán)，變電所應(yīng)根據(jù)用戶負(fù)荷的變化，計(jì)算變壓器所帶負(fù)載，根據(jù)已有公式的理解和計(jì)算，合理選擇變壓器的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低電網(wǎng)的運(yùn)行損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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