年5月29日電氣信息化工程管理與財務知識分析體系文檔僅供參考屆畢業設計(論文)材料系、部:電氣與信息工程系學生姓名:謝娟指導教師:曹志平職稱:講師專業:電氣自動化班級:0504學號:5月材料清單1、畢業設計(論文)課題任務書2、指導教師評閱表3、答辯及最終成績評定表4、畢業設計說明書5、附錄材料

屆畢業設計(論文)課題任務書系:電氣與信息工程系專業:電氣自動化技術指導教師曹志平學生姓名謝娟課題名稱配電變壓器經濟運行的研究內容及任務1.查閱本課題相關資料2.了解配電變壓器經濟運行區的確定3.分析變壓器的負載調整對變壓器經濟運行的影響4.綜合整理,論文撰寫,完成設計擬達到的要求或技術指標1.變壓器的基本結構與工作原理2.變壓器經濟運行的基本概念3.配電變壓器經濟運行研究4.負載調整對經濟運行的影響5.變壓器間負載的經濟分配6.科學管理和變壓器經濟運行進度安排起止日期工作內容備注.03.10~.03.24.03.25~.04.15.04.16~.05.07.05.08~.05.18.05.19~.05.23下達任務書、收集資料、熟悉畢業設計課題總體方案設計編寫畢業設計說明書教師評閱設計,學生進行總結、準備答辯畢業設計答辯主要參考資料[1]王英,郭小紅,同步發電機與變壓器原理及運行,太原電力高等專科學校,1995:20—28,[2]胡景生等著,變壓器經濟運行,中國電力出版社,北京,1999[3]李永,三繞組變壓器經濟實用計算,節能,·6:29—31[4]丁毓山,高松,變壓器最佳容量確定和經濟運行,中國水利水電出版社,1996:11—12[5]許建軍,兩部制電價與變壓器的經濟運行,銅業工程,·01[6]李小安,配電變壓器無功功率的消耗與節能,電工技術雜志,1999·2:45—47[7]徐建政,凌云,并列運行變壓器經濟運行模式分析,電力自動化設備,·9[8]魏勝宏,并列運行變壓器經濟運行方式的自動控制,節能技術,·03教研室意見年月日系主管領導意見年月日湖南工學院屆畢業設計(論文)指導教師評閱表系:電氣與信息工程系學生姓名謝娟學號班級0504專業電氣自動化技術指導教師姓名曹志平課題名稱配電變壓器經濟運行的研究評語:(包括以下方面,①學習態度、工作量完成情況、材料的完整性和規范性;②檢索和利用文獻能力、計算機應用能力;③學術水平或設計水平、綜合運用知識能力和創新能力;)是否同意參加答辯:是□否□指導教師評定成績分值:指導教師簽字:年月日湖南工學院屆畢業設計(論文)答辯及最終成績評定表系(公章):學生姓名謝娟學號班級電氣0504答辯日期課題名稱配電變壓器經濟運行的研究指導教師曹志平成績評定分值評定小計教師1教師2教師3教師4教師5課題介紹思路清晰,語言表示準確,概念清楚,論點正確,實驗方法科學,分析歸納合理,結論嚴謹,設計(論文)有應用價值。30答辯表現思維敏捷,回答問題有理論根據,基本概念清楚,主要問題回答準確大、深入,知識面寬。必答題40自由提問30合計100答辯評分分值:答辯小組長簽名:答辯成績a:×40％＝指導教師評分分值:指導教師評定成績b:×60％＝最終評定成績:分數:等級:答辯委員會主任簽名:年月日說明:最終評定成績＝a+b,兩個成績的百分比由各系自己確定,但應控制在給定標準的10％左右。

畢業設計說明書配電變壓器經濟運行的研究系、部:電氣與信息工程系學生姓名:謝娟指導教師:曹志平職稱講師專業:電氣自動化技術班級:0504完成時間:5月摘要變壓器在整個國計民生中是一種應用極廣的耗能設備。變壓器是電力生產過程中的主要電器。變壓器在變壓和傳遞電功率時,其自身要產生有功功率損失和無功功率消耗。由于變壓器臺數多、總容量大,因此在發、供、用電過程中變壓器總的電能損失約占整個電力系統損失的30%左右。因此,全面開展變壓器經濟運行是實現電力系統經濟運行的重要環節。變壓器在變換電壓及傳遞功率的過程中,自身將會產生有功功率損耗和無功功率損耗。變壓器的有功功率和無功功率損耗又與變壓器的技術特性有關,同時又隨著負載的變化而產生非線性的變化。因此,本文經過對變壓器運行中損耗的分析,計算,總結出在實際運行過程中如何控制變壓器的負荷大小,以減少變壓器自身的損耗節約電能,降低成本,基本達到了我們想要的最終效果。關鍵詞:變壓器;空載損耗;短路損耗;經濟運行

AbstractThetransformerisonekindofapplicationextremelybroadconsumesenergytheequipmentintheentirenationaleconomyandthepeople'slivelihood.Thetransformerisintheelectricpowerproductionprocessmainelectricappliance.Transformerwhenlivepressureandtransmissionelectricpower,itsownmusthavetheactivepowerlossandthereactivepowerconsumption.BecausethetransformerTaiwannumberaremany,theaggregatecapacityisbig,thereforeinsends,for,useselectricityintheprocessthetransformertotalelectricalenergylosstoapproximatelycomposeabout30%whichtheentireelectricalpowersystemloses.Therefore,comprehensivelydevelopsthetransformereconomymovementrealizestheelectricalpowersystemeconomymovementimportantlink.Thetransformerinthetransformationvoltageandinthetransmissionpower'sprocess,oneselfwillhavetheactivepowerlossandthereactivepowerloss.Transformer'sactivepowerandthereactivepowerlosewithtransformer'stechnicalcharacteristicrelated,simultaneouslyhasthemisalignmentchangealongwiththeloadchange.Therefore,thisarticlethroughtheanalysiswhichlosestothetransformermovement,thecomputation,howsummarizestocontroltransformer'sloadsizeintheactualmovementprocess,reducestransformerownlosstosavetheelectricalenergy,reducesthecost,hasachievedthefinaleffectwhichbasicallywewant.Keyword:Transformer;No-loadloss;Shortcircuitloss;Theeconomymoves

目錄1緒論 121.1課題研究的目的與意義 121.2變壓器經濟運行概論 121.3變壓器經濟運行現狀 131.4本文主要工作 132變壓器的基本結構與工作原理 142.1變壓器的基本結構 142.2變壓器的工作原理 143變壓器經濟運行的基本概念 163.1技術參數 163.2變壓器的功率損耗 173.2.1有功功率損耗 173.2.2無功功率消耗 183.2.3綜合功率消耗 193.3變壓器間技術特性分析 203.3.1容量相同雙繞組變壓器間技術特性優劣的判定 213.3.2容量不同雙繞組變壓器間技術特性優劣的判定 234配電變壓器經濟運行研究 254.1變壓器的最佳負荷系數 254.2變壓器經濟容量的確定 274.3變壓器經濟運行區的確定 285負載調整對經濟運行的影響 315.1調整負載曲線 315.2調載節能計算原理 325.3調整日負載曲線 335.4實例計算 336變壓器間負載的經濟分配 366.1容量相同的變壓器間負載的經濟分配 366.1.1兩臺變壓器間負載的經濟分配 366.1.2多臺變壓器間負載的經濟分配 376.2容量不同的變壓器間負載的經濟分配 386.2.1兩臺變壓器間負載的經濟分配 386.2.2多臺變壓器間負載的經濟分配 396.3變壓器負載經濟分配節約功率的計算 407科學管理和變壓器經濟運行 417.1變壓器制造和經濟運行 417.2變壓器更新和經濟運行 417.3技術管理和經濟運行 418總結 43參考文獻 44致謝 451緒論1.1課題研究的目的與意義能源是人類社會賴以生存的物質基礎,是國民經濟發展的動力。隨著國民經濟的發展,能源越來越被人們所關注。變壓器在整個國極民生中是一種應用極廣的耗能設備。變壓器是電力生產過程中的主要電器。一般地說,從發電、供電一直到用電,需要經過三至四次變壓器的變壓過程。因此不但變壓器的總臺數要超過發電機的總臺數,同時運行變壓器的總容量也遠超過運行發電機的總容量,而且也超過運行電動機的總容量。盡管如此,但因其數量多,容量大,因此在廣義電力系統運行中,變壓器總的電能損耗約占發電量的10%左右。這對全國說,意味著全年變壓器總的電能損耗為1000多億KWh,這相當于一個較大電力系統的發電量。變壓器損耗約占電力系統線損的50%左右,在農電系統中變壓器損耗約占農電網中損耗的60%—70%。因此,開展變壓器經濟運行,降低變壓器損耗,是實現電力系統經濟運行的重要環節,是節約電能的一個重要手段,開展對變壓器經濟運行的研究是非常必要的。由于在中國,配電變壓器為10/0.4KV雙繞組三相變壓器,絕大多數情況下設計為三臺以下運行,因此本次設計變壓器的經濟運行研究也僅限于雙繞組變壓器的研究。1.2變壓器經濟運行概論變壓器作為一種能量轉換裝置,在轉換能量過程中必定產生損耗,包括初級繞組的銅耗,次級繞組的銅耗和鐵芯損耗。但在實際生產運行過程中,我們一般以空載損耗和短路損耗來作為衡量變壓器損耗的兩個重要參數,以此為依據,我們能夠方便的計算出任意給定負載時的變壓器效率,控制變壓器的二次電流,使變壓器經濟運行。

由于變壓器技術特性存在著差異,而且變壓器的有功損耗和無功消耗是隨著負載而發生非線性變化的。因此在變壓器運行方式之間就存在著擇優選取技術參數好的變壓器,而且存在著最佳運行方式的問題。由此可知,所謂變壓器經濟運行是指在確保變壓器安全運行及傳輸功能不變的基礎上,經過優選運行方式,合理的分配負載,改進運行條件,使變壓器在電能損耗低的狀態下運行。因此變壓器經濟運行的實質就是變壓器節電運行,充分利用現有設備條件,經過擇優選取變壓器經濟運行方式,即可達到節電和提高功率因數的目的。1.3變壓器經濟運行現狀變壓器經濟運行的理論分析和生產實踐證明,變壓器存在著經濟運行,那就是把變壓器經濟運行的優化理論和定量計算方法與變壓器各種實際運行工況密切相結合,其結果是變壓器的損耗明顯減少。20年來,中國一些地區推廣變壓器的經濟運行,取得了較好的節電效果,可是由于沒有一個統一的技術標準,而且還有人們習慣性的錯誤認識,因此普通存在著不同程度的變壓器低效運行問題,主要表現在:(1)凡是一臺變壓器能承擔的負載,就不用兩臺運行;(2)凡是小容量變壓器能承擔的負載,就不用大容量變壓器運行;(3)如何判定變壓器過輕負載(俗稱”大馬拉小車”)的問題,長期以來都是以變壓器容量利用率來劃分,其結果不但不省電,反而浪費;(4)認為變壓器是高效率的設備,開展經濟運行無潛力可挖(5)錯誤地認為變壓器的利用率越高,變壓器損失的電能就越小(即效率越高)有關變壓器經濟運行問題,沈陽工業大學成立了變壓器經濟運行研究所,胡景生教授就變壓器經濟運行方式進行了系統的理論分析,而且經過大量的實例說明變壓器經濟運行是一種經濟實用的節電手段。1.4本文主要工作在綜述了變壓器經濟運行方法研究和應用現狀的基礎上,本文的主要工作包括如下幾個方面:在變壓器經濟運行的原理基礎上,分析了變壓器經濟運行的幾種不同情況,討論如何把變壓器經濟運行原理與實際相結合來達到降低變壓器的電能損耗和提高電源側功率因數的目的。并對變壓器經濟運行進行了研究,考慮了負載調整對經濟運行的影響和變壓器負載的經濟分配。配電變壓器在整個配電網中數量多,損耗大。根據配電變壓器運行的特點分析討論其經濟運行方式。

2變壓器的基本結構與工作原理變壓器是一種用于交流電能轉換的電氣設備。它能夠把一種交流電壓、電流的電能轉換成相同頻率的另一種交流電壓、電流的電能。變壓器在電力系統中的主要作用是變換電壓,以利于電能的傳輸。電壓經升壓變壓器升壓后,能夠減少線路損損耗,提高送電經濟性,達到遠距離送電的目的;電壓經降壓變壓器降壓后,獲得各級用電設備的所需電壓,以滿足用戶使用的需要。2.1變壓器的基本結構電力變壓器的基本結構,包括鐵心和一、二次繞組兩大部分。鐵心是變壓器的主磁路,又是它的機械骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分組成,鐵心柱上套裝繞組,鐵軛的作用則是使整個磁路閉和。為了提高磁路的導磁性能和減少鐵心中的磁和渦流損耗,鐵心用0.35毫米厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。硅鋼片分冷軋和熱軋兩種。冷軋硅鋼片又分為無取向和取向兩種,其中取向冷軋硅鋼片有明顯的方向性,即沿著軋制方向的磁性能好,因此當前電力變壓器均采用冷軋取向硅鋼片。繞組是變壓器的電路部分,它一般用絕緣銅線或鋁線繞制而成。繞組是由截面為圓形,扁形的鋼,鋁導線繞制而成,繞組的主要形式有層式和餅式兩種形式,層式繞組的線匝沿其軸向依次排列,餅式繞組的線匝在幅向形成線餅后,再沿軸向排列。按變壓器鐵心和繞組的配置來分類,可分為心式和殼式兩種。心式結構的特點是繞組露出外側,而鐵心在內側,從繞組絕緣上考慮,這種結構適用于高電壓,殼式結構的特點是在鐵心內側安放繞組,從外側看得見鐵心,這種結構適用于低電壓大電流的場合。2.2變壓器的工作原理變壓器幾乎在所有的輸變電系統中都要用到,變壓器雖種類較多,但其工作原理相同,只是根據不同的使用場合(不同的用途),變壓器的繞制工藝會有不同的要求。變壓器的功能主要有:電壓變換、阻抗變換、隔離及穩定(磁飽和變壓器)等。變壓器常見的鐵心形狀一般有E形和C形。如圖2.1是變壓器的原理圖,為了便于分析,我們將高壓繞組和低壓繞組分別畫在兩邊。與電源相聯的稱為原繞組(或初級繞組、一次繞組),與負載相聯的稱為副繞組(或次級繞組、二次繞組)。原副繞組的匝數分別為和。則兩繞組之間只有磁的耦合沒有電的聯系。圖2.1變壓器的工作原理圖圖2.1變壓器的工作原理圖當繞組1接上交變電壓時,則產生交變電流,根據電感生磁,磁感生電的電磁感應原理,將在鐵心中激勵與電源電壓頻率相同的交變的磁通,交變磁通在繞組1和繞組2中將產生同頻率的感應電勢和,在如圖2.1所示的正方向下,由電勢感應定律可知……………2.1……………2.2則,當改變原、副繞組的匝數即可改變副繞組的電壓,若在繞組2上接負載,便有交流電能輸出,從而實現了不同電壓等級電能的傳遞。

3變壓器經濟運行的基本概念變壓器技術參數是分析計算變壓器經濟運行的基礎數據。變壓器經濟運行是尋求變壓器運行中降低變壓器的有功功率損耗和提高其運行效率(即降低變壓器損耗率),以及降低變壓器的無功功率消耗和提高變壓器電源側的功率因數。因此,變壓器的有功功率損耗和有功損耗率的計算、無功功率消耗和無功消耗的計算等都是變壓器經濟運行的基礎計算式。這些基礎計算式及其相關理論是變壓器經濟運行的基礎理論。同時變壓器經濟運行也是降低電力系統網損的重要措施,因此,變壓器的綜合功率損耗和綜合損耗率的分析計算,以及變壓器負載波動的動態計算,也都屬于變壓器的經濟運行的基礎理論。3.1技術參數(1)空載電流空載電流的作用是建立工作磁場,又稱勵磁電流。當變壓器二次側開路,在一次側加電壓時,一次側要產生電流——空載電流。空載電流的大小取決于變壓器鐵芯的磁通密度而由感應電動勢方程式為:………3.1式中—電源頻率—原繞組的匝數—鐵芯截面變壓器的空載電流和鐵芯磁通密度存在著的非線性關系。空載電流為:………3.2——變壓器一次阻抗——變壓器激磁阻抗(2)空載損失由于勵磁電流在變壓器鐵芯產生的交變磁通要引起渦流損失和磁滯損失。渦流損失是鐵芯中的感應電流引起的熱損失,其大小與鐵芯的電阻成反比。為了減少渦流損失,必須增大鐵芯的電阻,因此一般在鐵芯材質中加上硅鋼片,并把硅鋼片制作薄一些。磁滯損失是由于鐵芯中的磁疇在交變磁場的作用下做周期性的旋轉引起的鐵芯發熱,其損失大小由磁滯回線決定。(3)短路電壓(短路阻抗)短路電壓,其值的大小主要取決于原副側繞組的幾何尺寸,如原副繞組的直徑、繞組的厚度、繞組的高度及原副側繞組間的距離等。短路電壓主要是變壓器原、副繞組的漏電抗的額定負載下產生的電壓降。此值是指在進行短路試驗時,當繞組中的電流達到額定值,則加在一次側的電壓。…………3.3從運行性能考慮,要求變壓器的阻抗電壓小一些,即變壓器總的漏阻抗電壓小一些,使二次側電壓波動受負載變化影響小些;但從限制變壓器短路電流的角度,阻抗電壓應大一些。(4)短路損失短路損失是變壓器在額定負載條件下其一次側產生的功率損失(亦銅損)。變壓器繞組中的功率損失和繞組的溫度有關,變壓器銘牌規定的值,指繞組溫度為75℃時額定負載產生的功率損失。3.2變壓器的功率損耗3.2.1有功功率損耗變壓器在傳輸功率過程中其自身要產生有功功率損耗,主要由兩部分組成,即空載損耗與負載損耗。空載損耗是與負載大小無關的固定損耗,一般容量較大的變壓器,其空載損耗越大。負載損耗是與負載電流成平方關系的可變損耗。在T小時內,變壓器的有功功率損耗,損耗率的穩態計算式為:…………………3.4………3.5……3.6式中 ——T時間段內變壓器的平均負——負載功率因素——變壓器的輸入功率,;——變壓器的輸出功率,;——變壓器的額定功率,;——變壓器額定容量,;——T時間內變壓器計量側的電能,;在T小時內,變壓器的負荷是不斷變化的,因此,在計算變壓器損失時,應計及負載波動的影響,故在做動態計算時,引入負載波動系數以考慮這種影響,則功率損失能夠寫成下式: ………………3.7——負載波動系數負載波動系數是指在一定時間內,變壓器負載波動引起的負載損耗與其平均負載損耗之比。圖3.1變壓器功率損失和功率損失率的負載特性曲線由上圖可知變壓器損失率是變壓器負載系數的二次函數,先隨著的增大而下降,當負載系數等于:…………………3.8時即銅損等于鐵損。然后又隨著增大而上升。是最小損失率的負載系數,稱為有功經濟負載系數。因此,當固定變壓器運行時,可經過調整負荷來降低。同理可寫出變壓器有功損耗率的動態計算式:………………3.93.2.2無功功率消耗由于變壓器的變壓過程是借助于電磁感應完成的,因此變壓器是一個感性的無功負載。在變壓器傳輸功率的過程中,變壓器自身的無功功率消耗遠大于有功功率損耗。同有功功率損耗一樣,T時間段內,變壓器的無功功率消耗和無功消耗率的穩態計算式為:……………3.10…3.11變壓器無功功率消耗和無功消耗率的動態計算式……………3.12……………3.133.2.3綜合功率消耗綜合功率損耗是指變壓器有功功率損耗和因其消耗無功功率使電網增加的有功功率之和。綜合功率損耗也是有功功率損耗,它的提出是具有系統性的。變壓器綜合功率經濟運行是立足于電力系統總體最佳節電法,是既考慮有功電量節約,又考慮無功電量節約的綜合最佳;是既考慮用電單位的節電,又考慮供電網損降低的系統最佳。T時間段內雙繞組變壓器綜合功率損耗和綜合功率損耗率的穩態計算式:………………3.14或 ………………3.15………………3.16——無功經濟當量——空載綜合功率損耗——額定負載綜合功率損耗………………3.17………………3.18無功經濟當量的物理意義為:變壓器每減少1無功功率消耗時,引起連接系統下降的值,因此的大小和變壓器在系統中和位置直接相關。關于無功經濟當量能夠在表3.1中查出,表中的編號與變壓器的安裝部位是一一對應的。表3.1無功功率經濟當量KQ值圖3.2電網系統示意圖圖3.2電網系統示意圖雙繞組變壓器綜合功率損耗和綜合功率損耗率的動態計算式:…………3.19…………3.20綜上所述,為了確保變壓器安全運行避免變壓器的頻繁倒閘操作,變壓器的經濟運行方式的優化不可能按負載的瞬時值。而是用穩態計算式進行計算。變壓器經濟運行方式的優化計算分別考慮有功功率損耗最小,無功功率消耗最小和綜合功率損耗最小的三種情況。如果用戶以節約有功電量為主,則應按有功功率經濟運行進行優化;如果是為提高功率因數為主,則應按無功功率經濟運行進行優化;如果兩者兼顧或者以降低系統線損為主,應按綜合功率經濟運行進行優化。3.3變壓器間技術特性分析變壓器的功率損耗和損耗率的負載特性曲線稱為變壓器技術特性。變壓器技術特性優劣的判定是變壓器經濟運行的基礎,其標準是:在相同負載條件下,損耗小者為優,損耗大者為劣。在有些情況下能夠直觀地區分變壓器技術特性的優劣,但在有些情況下(特別是對容量不同的變壓器),其技術特性的優劣需要經過判定公式計算后才能確定。3.3.1容量相同雙繞組變壓器間技術特性優劣的判定(1)按有功功率損耗計算若A,B為兩臺容量相同的變壓器,我們可寫出各臺變壓器有功功率損耗的計算式:…3.21…3.22令,對上式求解,可推出變壓器A和變壓器B按有功功率經濟運行的技術特性優劣判定的臨界負載功率:……………3.23(2)按無功功率消耗計算同有功功率損耗計算,變壓器A和變壓器B的載功功率消耗的計算式:…3.24…3.25令,可得變壓器A和變壓器B按無功功率經濟運行的技術特性優劣判定的臨界負載功率:……………3.26(3)按綜合功率損耗計算同以上的分析,變壓器A和變壓器B的綜合功率損耗計算式和臨界負載功率為:…3.27…3.28……………3.29根據式3.27和式3.28繪出變壓器A,B的綜合功率損耗曲線圖,判定變壓器間技術特性的優劣。0(a)(b)圖3.3容量相同的變壓器臨界負載功率曲線圖圖中兩曲線的交點的橫坐標就是臨界負載功率,根據式0(a)(b)圖3.3容量相同的變壓器臨界負載功率曲線圖(1)當時,,兩條曲線沒有交點,臨界負載功率不存在。變壓器A的技術特性優于變壓器B。(2)當時,則。臨界負載功率超過變壓器的額定容量,因此使用小的變壓器運行好。(3)當時,臨界負載功率存在。時,在小于的情況下,變壓器A的技術特性優于變壓器B,小的變壓器運行好。在大于的情況下,變壓器A的技術特性劣于變壓器B,大的變壓器運行好。(4)當時,。這種情況下,任何負載條件都是使用小的變壓器運行好。(5)當時,。兩條曲線曲率完全相同,沒有交點。變壓器A的技術特性優于變壓器B。(6)當時,,兩臺變壓器的技術特性完全相同,不存在優劣之別。以上按綜合功率損耗來判定變壓器間技術特性的優劣。其判定方法也完全適用于按有功功率損耗和無功功率消耗來判定變壓器間技術特性的優劣。容量不同雙繞組變壓器間技術特性優劣的判定如果兩臺變壓器的容量,負載視在功率為,則兩臺變壓器綜合功率損耗的計算式和分別為:…3.30…3.31令,可推出按綜合功率經濟運行時,變壓器A和B之間技術特性優劣判定的臨界負載功率…………3.32根據式,按運行方式我們能夠分四類:(1)當及,解得時,即在小容量變壓器滿載前就需要切換大容量變壓器運行。(2)當時,分別解得。在小容量變壓器滿載之后才需要切換大容量變壓器運行。(3)當時,分別解得。在任何負載條件下都是大容量變壓器運行經濟。(4)當及,解得,此時當容量大的變壓器B的技術特性優于容量小的變壓器A;當時,容量小的變壓器A的技術特性優于容量大的變壓器B;當時變壓器A已超載,只能用容量大的變壓器B運行。當及時,解得時,說明兩臺變壓器技術特性完全相同,但由于,因此應選擇容量大的變壓器B運行。

4配電變壓器經濟運行研究配電系統是電力系統中直接面向用戶以分配電能為目的的系統。配電系統主要由各種配電設備(主要包括饋線、配電變壓器、各種開關等)組成的配電網和配電網中的保護、測量裝置以及通信、控制設備構成,按一定的規則運行,以高質量的電能持續地滿足電力用戶需求。就中國電力系統而言,配電網是指110以下的電網。在配電網中,一般把110、35級稱為高壓配電網,10級稱為中壓配電網,0.4級稱為低壓配電網。配電網的理論線損主要包括配電線路中導線的電能損耗、配電變壓器的銅損和鐵損及其它(如電容器)損耗。在配電網的總電能損耗中,變壓器的電能損耗占絕大部分。大部分農村配電網理論損耗的構成比例。如表4.1。表4.1農村配電理論損耗構成比例損耗種類構成比例總電能損耗100%線路導線中的電能損耗平均18%左右變壓器銅損平均13%左右變壓器鐵損平均68%左右其它(如電容器、電能表、互感器)損耗多數為1%從表4.1能夠看出,在農村配電網的電能損耗中,變壓器損耗是主要因素,約占總電能損耗的80%以上。因此研究變壓器的經濟運行、降低變壓器的損耗是非常有意義的,對提高整個配電網的經濟效益起著舉足輕重的作用。4.1變壓器的最佳負荷系數要使變壓器在運行中的效率最高,必須使其有功功率為最小,一臺變壓器在負荷為時的有功損耗換算值為:……………4.1式中——變壓器的空載損耗(鐵損、)——變壓器的短路損耗(銅損、)——變壓器空載時的無功損耗增量(kvar)——變壓器額定負荷時的無功損耗增量()——無功經濟當量換算系數(/)——負荷系數,變壓器負荷容量與其額定容量之比,即。根據最佳負荷系數計算式可得(推導公式略):………4.2式中:——變壓器的最佳負荷系數、均可在變壓器手冊中查得,、能夠根據變壓器手冊中的參數計算求得。如果忽略無功功率,有:…………………4.3這說明運行中的變壓器實際銅損等于鐵損時便是處在最高效率狀態。在最佳負載系數,下運行時,功耗率最低,在恒定負荷或均衡負荷時段內,功耗率最低也便是能耗率最低,對于變壓器運行中的每時每刻,都需盡可能爭取處在或十分接近于最高效率狀態為最經濟。而對于大量存在的變動負荷,則要求其在變動負荷時段(如年、月、日)內能耗損失率最低為經濟運行所追求的目標,因此在工程實踐中采用調整變壓器負荷等許多技術措施,也都是為了盡可能實現或接近狀態下的節能運行。變壓器的最佳負荷系數是從變壓器的設計參數出發,按運行時單位功率損耗最小,效率最高來考慮的,沒有考慮到負荷的變化情況。因此最佳負荷系數是一個瞬時值,而一般變壓器的負荷隨時間的變動較大,如居民生活區中的配變,它的最大負荷發生在晚上6:30-11:30。因此按此原則選擇則變壓器難以保證在不同負荷容量下的效率都高,而且功率一般是瞬時的,它不能反映能量的大小。因此,變壓器運行的經濟性,需從”工作效率最高→功率損耗最低→實耗率最低”的模式來考慮。只有在盡可能長時間使變壓器工作在最高效率、最低功耗率狀態下,求得全年、全月或全日變壓器能耗最低,方可取得最好的經濟效益,才能稱得上屬于經濟運行。不講工作效率的能耗最低,事實上是毫無實際意義的,因為我們絕不會將全年處于空載狀態下的變壓器稱作是最經濟運行的。當電力負荷很平穩且無空載運行時,如此時的變壓器損耗最小,就能夠說變壓器在節能運行,是經濟的。對于變動負荷來講,按上述方法來選擇配變容量是不全面的,在許多情況下不但不能節省電能,反而會多耗電能,因此,變負荷條件下可經過實際負荷曲線和經濟運行區間來確定變壓器的容量。4.2變壓器經濟容量的確定兩臺容量相近的變壓器都能滿足供電要求,但選擇哪臺變壓器必須進行分析計算才能確定。容量較大的變壓器和容量較小的變壓器功率損失和負載系數公式為: ……………4.4……………4.5…………………4.6根據上式可得出臨界經濟容量的計算公式:…………4.7變壓器經濟容量確定的原理圖如圖4.1。圖4.1變壓器經濟容量確定的原理圖由圖4.1可知,臨界經濟容量的意義是:當按實際負載需用變壓器的容量時,則選用容量大的變壓器;反之,時,則選用容量小的變壓器。例如已知負載為58.5千瓦,cos=0.9,現有兩臺閑置變壓器可供用:一臺是100千伏安,=0.6千瓦、=2.25千瓦、=5.3%、=7.5%;另一臺是180千伏安,=1千瓦、=3.6千瓦、=4%、=6.5%。試按經濟運行條件加以選擇。解利用4.7式求得臨界經濟容量:由把上邊各值帶入4.7式得出:按題意可求得負載需用變壓器容量=58.5/0.9=65KVA。按有功計算,=65＞=54.6,應選用180千伏安變壓器;再按無功計算,=65＜=70,應選用100千伏安變壓器。二者發生矛盾。因此,應按綜合功率計算選用。取無功經濟當量=0.2,由把各值代入4.7式求得:由于=65＞=61.2,因此最后應選取180變壓器。由此可見,一定要扭轉單純根據變壓器容量的利用率來選變壓器容量做法,應經過計算,按變壓器經濟運行條件來考慮變壓器的容量。4.3變壓器經濟運行區的確定國家標準<GB/T13462-92A工礦企業電力變壓器經濟運行導則>提出了變壓器經濟運行區的概念,并給出了按綜合功率確定變壓器經濟運行區的方法:變壓器在額定負載條件下的運行應屬于經濟運行區。因此,經濟運行區的上限值定為,經濟運行區的下限值所對應的損耗率如圖所示,要與額定負載損耗率相等。在經濟運行區運行時,其損耗率要低于額定負載損耗率,即變壓器在經濟運行區間的效率要高于變壓器在額定負載下的運行效率。(1)變壓器經濟運行區的確定變壓器綜合功率損耗率的計算式為………………4.8根據上式可得變壓器綜合功率損耗率的特性曲線,如圖4.211圖4.2圖4.2變壓器綜合功率經濟運行區間由圖可見,負載系數范圍內,為遞減函數,在范圍內,是遞增函數,但其曲率比遞減時小得多(變化比較平穩)。變壓器長期滿載運行應視為安全合理的,因此,GB/T13462-92A規定變壓器在額定負載條件下運行作為經濟運行區的上限值。因為變壓器在額定負載下運行時,因此損耗率的計算式為:………………4.9當變壓器負載率為時,其綜合功率損耗率的計算式為:……………4.10因為=,因此可得下列關系式:……4.11在上式中,,因此式能夠簡化為:…………4.12由上式可解得變壓器綜合功率經濟運行區的負載系數的下限值的計算式:…………………4.13(2)變壓器經濟運行區的優選運行段(最佳運行區)變壓器經濟運行區包括了變壓器額定負載在內的較大負載范圍,而在這個范圍的邊緣(如接近的負載系數),其損耗率與最低損耗率相比仍較高,有必要在經濟運行區內確定優選運行段。確定優選段的目的,是為了保證在此負載范圍內,把變壓器的綜合損耗率降低到最小,從而實現高效降損的目的。國標<GB/T13462-92A工礦企業電力變壓器經濟運行導則>中規定變壓器經濟運行區優選段的上限值為根據變壓器綜合功率損耗率特性曲線,能夠找到與時的對應點,即為優選段的下限值。根據其綜合功率損耗相等可得下式:………………4.14與前面推導經濟運行區下限值的方法相同,經化簡可解得:…………………4.15在論述了變壓器經濟運行區和經濟運行區優選段的確定后,可將變壓器的運行區間劃分為最佳經濟運行區,經濟運行區,最劣運行區,并繪制圖4.3。11不良區經濟區最佳運行區圖4.3變壓器綜合功率運行區間劃分圖由圖4.3可知,綜合功率的運行區間范圍是:(1)最佳運行區(優選段)(2)經濟運行區(3)非經濟運行區同理,變壓器的有功功率和無功功率也按上述的方法分為最佳運行區,經濟運行區和非經濟運行區。

5負載調整對經濟運行的影響電力系統的用電負載每時每刻都在發生變化,而發電和用電每時每刻又都要保持相對平衡。對于電力負載波動大的用電單位,需要調整負載來降低尖峰負荷。同時,調載也能夠節電。實例表明,負載調整對于降低變壓器的有功損失和無功消耗,提高變壓器經濟運行,充分發揮發電設備的容量顯得尤為重要。5.1調整負載曲線變壓器功率損失為(為負載系數)。如圖5.1所示,是一個二次遞增函數,因此任何兩個自變量和的平均值的函數小于該兩個自變量的函數的平均值,即……5.1由上面的分析可知,當變壓器總的用電負載不變時,經過調整負載曲線,使均方根值更趨向平均值,就能夠減少變壓器的功率損失。此方法同樣也適用于變壓器無功消耗的負載特性。00圖5.1變壓器損耗曲線5.2調載節能計算原理變壓器功率損失的瞬時值與瞬時負載系數的關系為:……5.2對其積分,可得出T時間內變壓器的電能損失為:……………5.3對式(2)除以T,即,可得時間T內的變壓器平均功率損失:……………5.4設負載系數的均方值為:…………………5.5負載系數的平均值為:…………………5.6調載前變壓器負載波動系數為:………5.7設調載后變壓器的瞬時負載系數為,則調載后負載波動系數為:…………………5.8在只考慮負載波動影響的情況下,應認為調載前后平均負載系數是相等的,變壓器的平均負載系數為:………………5.9式中:A——經過變壓器的電能,——經過變壓器的額定容量,T——運行時間——平均功率因數、——變壓器的負載系數分別為和時的平均負載系數式(1)可寫為:………5.10若T小時內變壓器的負載電量不變,調載前后負載系數分別為和,負載波動系數為和,由上式可推出調載前后平均功率損失節約值為:……………5.11……………5.125.3調整日負載曲線變壓器全日電能損失:……………5.13——小時平均負載系數由公式(4)、(5)、(6),日負載系數均方值為:………………5.14日負載系數平均值:………………5.15日負載波動系數:……5.16如果調載前后日負載波動系數為和,則調載前后變壓器全日有功電量和無功電量的節約為:…………5.17…………5.185.4實例計算某工廠用電變壓器為1800。技術參數為:=8kW,=24kW,=4.5%,%=5.5%。全日負載=0.9。原為一班生產,后調整為二班生產,其負載分配如表5.1,試計算變壓器節電效果。表5.1工作安排計劃運行時間0~8時8~16時16~24時生產班次一班27kW1530kW27kW二班657kW900kW27kW解:一班生產情況0～8時及16～24時的負載系數B為8～16時由式5.14、5.15分別求得日負載系數均方值日負載系數平均值由式5.16求得日負載波動系數二班生產情況0～8時8～16時16～24時日負載系數均方值日負載系數平均值日負載波動系數由公式5.17、5.18計算日有功電量、日無功電量的節約值分別為由以上分析計算可見,在變壓器負載不變的條件下,二班比一班生產每日節電81.4,全年節電2.96萬。每日節約無功用電量335.8,全年節電11.95萬。本例中無功節電是有功節電的四倍多。因此在日供電量不變的情況下,調整變壓器負載不但能夠降低變壓器損失做到節電,同時還能夠降低變壓器無功功率消耗,提高變壓器一次功率因數。

6變壓器間負載的經濟分配6.1容量相同的變壓器間負載的經濟分配6.1.1兩臺變壓器間負載的經濟分配設變壓器A的負載視在功率為,變壓器B的負載視在功率為,變壓器A,B總的負載視在功率:……………6.1兩臺變壓器總的有功功率損耗的計算式為:………………6.2上式中βA和βB的計算式分別為:………………6.3將式6.1、6.2代入式6.3可得:………………6.4若變壓器總的負載視在功率保持不變,且負載功率因數是一個固定的值,則兩臺變壓器總的有功功率損耗隨著變壓器A的負載視在功率的變化而變化。則式6.4可寫成函數式,其函數曲線為圖6.1:ZZ00圖6.1變壓器負載經濟分配由于是個二次函數,因此在該函數定義域內存在一個極小值,如上圖中的Z點,在這一點處變壓器總的功率損失最小。對上式求一階導數可得出:………6.5當變壓器A的負載視在功率時,變壓器總的功率損失取得極小值,如果把式6.5中的自變量換為,對函數求導,同樣可得:………6.6令變壓器A和B的有功負載經濟分配系數,分別為:………6.7由上可知,兩臺容量相同變壓器間負載的經濟分配,是與變壓器自身的短路損失成反比的。6.1.2多臺變壓器間負載的經濟分配N臺變壓器的總負載視在功率為:…………6.8則N臺變壓器總的有功功率損耗的計算式為:…6.9假定第1臺到第n-1臺變壓器間的負載已按有功經濟負載系數分配,則此時的負載視在功率分別為:………6.10——n-1臺變壓器中第臺變壓器有功負載經濟分配系數。把式6.10代入式6.9并整理得:……6.11若變壓器總的負載視在功率保持不變,負載功率因數也是一個固定的值,則N臺變壓器總的有功功率損耗隨著第N臺變壓器的負載視在功率的變化而變化。則式6.11可寫成函數式,對其求導并令其等于0,可得:………6.12第X臺變壓器負載視在功率經濟分配的計算式為:………6.13因此,第X臺變壓器的有功負載經濟分配系數為:………6.14由式6.7和式6.14可分別得:兩臺變壓器時,N臺變壓器時,由上述各式的分析推導可看出:對N臺容量相同的變壓器,變壓器間的有功負載經濟分配系數與變壓器總的負載大小無關,而主要取決于各臺變壓器短路損耗的大小。其負載按變壓器短路損失成反比進行分配是最經濟的。因此當一個地區或一個企業變壓器的運行臺數和運行方式確定后,其各臺變壓器的有功負載經濟分配系數也就確定了。分析和計算變壓器間負載經濟分配的實質也就是分析和計算變壓器間的負載經濟分配系數。6.2容量不同的變壓器間負載的經濟分配6.2.1兩臺變壓器間負載的經濟分配設變壓器A的額定容量為,負載視在功率為,變壓器B的額定容量為,負載視在功率為,變壓器A,B總的負載視在功率: ………6.15變壓器A,B的負載系數分別為:………6.16兩臺變壓器總的有功功率損耗的計算式為:………6.17同以上分析相似,兩臺變壓器總的有功功率損耗隨著變壓器A的負載視在功率的變化而變化。對函數求導并令其等于零得:………6.18同理可得出變壓器B的負載經濟分配計算式為:………6.19由上式可直接推出變壓器A,B的有功負載分配系數為:……6.206.2.2多臺變壓器間負載的經濟分配同理可推導出N臺容量不同的變壓器間第X臺的有功負載經濟分配系數:……………6.21由上式可看出:容量不同的變壓器間的有功負載經濟分配系數與變壓器總的負載大小無關,而與變壓器短路損失反比,與變壓器容量的平方成正比。6.3變壓器負載經濟分配節約功率的計算變壓器間負載的經濟分配必然要比按容量分配節約功率。設變壓器按容量分配負載時其負載視在功率為,其損耗為:………6.22按負載經濟分配時的負載視在功率為,損耗為:………6.23兩式相減得變壓器節約的有功功率為:………6.24由以上分析可知,如有N臺變壓器,原來負載按自然分配,現在實行經濟分配,其總的有功功率節約計算式為:………6.25對于變壓器間負載的分配,不能只根據變壓器的容量進行負載分配。而是要以各臺變壓器的技術特性為依據,分別計算出各臺變壓器的