配电变压器节能技术研究

廖述龙;俞超

【摘 要】Distribution transformer is one of the most widely used power facilities. There are many different kind of transformer, which is very important for energy saving and reducing losses and improving electric power system＇ s efficiency. The energy saving methods of distribution transformer are the main content of this paper.%配电变压器作为使用最广泛的电力设施，数量种类繁多，对节能减排有重要的意义。是楼字建筑用户降低成本、提高经济收益的一项重要手段。主要介绍了楼宇建筑中配电变压器的相关节能技术，以提高变压器性能，降低损耗，提高供电效率。 【期刊名称】《现代建筑电气》 【年(卷),期】2011(000)008 【总页数】5页(P13-17)

【关键词】楼宇建筑;配电变压器;节能;负载;电力设施 【作 者】廖述龙;俞超

【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司,上海200092 【正文语种】中 文 【中图分类】TM421

0 引言

配电变压器是城市供配电网和楼宇建筑供配电系统中不同电压电能之间转换的重要设备，同时也是电能分配调度的核心电气设备。在楼宇建筑中，一般从城市变配电所中引入35 kV或10 kV 电源，然后采用10 kV/0．4～0．23 kV 配电变压器向各机电设备馈电。随着配电变压器运行时间不断加长，变压器损耗在整个楼宇建筑供配电系统损耗中所占的比例达到10%以上。 1 优化变压器运行方式

配电变压器运行方式的优化分析研究，可从变压器运行有功功率损耗最小、无功功率损耗最小及综合运行功率损耗最小3种组合进行讨论。例如，从节约有功电量为主进行变压器节能经济运行方式研究时，应按变压器有功功率经济运行方式进行优化比较分析;要求从提高变压器运行功率因数为主进行变压器节能经济运行方式研究时，应按变压器无功功率经济运行方式进行优化比较分析;需要兼顾两者或以降低供配电系统网损为手进行变压器节能经济运行方式研究时，应按变压器综合功率经济运行方式进行优化比较分析。高层楼宇建筑电气系统节能不仅要考虑有功功率节能，同时还要考虑无功功率节能特性。因此，在进行变压器节能经济运行方式优化分析比较时，选择兼顾有功功率和无功功率两者的供配电系统网损最小的节能经济运行模式进行比较分析。

变压器空载运行综合功率损耗POZ的计算公式为

式中 P0——变压器的空载损耗 KQ——无功经济当量

Q0——空载时变压器的励磁功率相应变压器处于额定负载条件下，其综合功率损耗PKZ的计算公式为

式中 PK——变压器的短路损耗

QK——变压器额定负载时所消耗的的励磁功率

楼宇建筑电气系统中所选用的配电变压器为双绕组变压器。两台双绕组变压器A和B在运行过程中综合功率损耗可表示为

式中 S1——变压器一次侧绕组的负载视在功率 S NA，S NB——变压器的额定容量

假设两台变压器并列运行，则两台双绕组变压器综合功率损耗可表示为

若两台变压器在运行时，其综合能耗是完全相同的，则可假定ΔP ZA=ΔP ZB，联合上式进行求解，可获得双绕组配电变压器间综合功率最优运行工况技术特性的临界判定负载功率值为

其中S NA=S NA+S NB。

同理，假定 ΔP ZA=ΔP ZAB，可获得变压器 A在与A、B处于并列运行工况条件下的综合功率最优运行技术特性临界功率值为

若在实际运行中，变压器A的综合功率损耗比变压器B的综合功率损耗小，即满足P0ZA＜P0ZB条件。为充分分析变压器A和B的节能经济运行方式，需综合考虑3个综合功率优化运行技术特性临界功率值之间的关系特性，共存在以下3种运行工况:

(1)当=j a(虚根)条件下，变压器运行损耗如图1所示。从图1可知，当时，变压器B的综合能耗ΔP ZB=f(S1)与变压器A的综合能耗ΔP ZA=f(S1)两条损耗曲线没

有交点，但从两条曲线演变曲率关系可知，变压器A在此工况条件下运行效率要明显优于变压器B，即此时不存在变压器B经济运行工况区，而只存在变压器A与变压器A、B并列运行间的节能经济运行方式。 图1 配电变压器工况1——运行损耗

(2)当变压器B的综合能耗ΔP ZB=f(S1)与变压器A的综合能耗ΔP ZA=f(S1)两条损耗曲线有交点运行工况时和S KA两者之间，其损耗演变曲线如图2所示。 图2 配电变压器工况2——运行损耗

从图2可知，与工况1相同，此时也不存在变压器B经济运行工况区，只存在变压器A与变压器A、B并列运行间的节能经济运行方式。

(3)当变压器B的综合能耗ΔP ZB=f(S1)与变压器A的综合能耗ΔP ZA=f(S1)两条损耗曲线有交点运行工况时位于和两者之间，其损耗演变曲线如图3所示。 图3 配电变压器工况3——运行损耗

从图3可知，此时存在变压器A、变压器B及变压器AB并列运行3种节能经济运行方式。当负载容量S1满足时，变压器A运行处于最优节能经济运行工况;当负载容量S1满足时，变压器B运行处于最优节能经济运行工况;当负载容量S1满足S1＜S N(S N=S A+S B)时，变压器A、B并列运行处于最优节能经济运行工况。 综合来看，两种变压器单台运行与两台并列共同运行模式下，其运行技术经济特性的优劣可简单归纳为一种单台变压器与两台变压器并列运行模式间技术经济特性分析研究。假设某楼宇建筑变配电所中设置两台变压器A和B，为了简化分析，此处仅分析变压器A单独运行与变压器A、B处于并列运行工况下的节能经济分析，可将前面的3条损耗曲线简化为2条曲线进行分析研究，存在两种运行工况。 (1)变压器A和并列变压器AB两者随负载容量S1变化时，其损耗演变曲线如图4所示。

图4 配电变压器工况4——运行损耗

从图4可知，两条损耗曲线的交点位于S KA的左侧时，当时，单台变压器A单独运行较为节能经济;当S1＞时，A、B两台变压器处于并列运行工况较为节能经济。

(2)S KA变压器A和并列变压器A、B两者随负载容量S1变化时，其损耗演变曲线如图5所示。从图5可知，两条损耗曲线的交点位于S KA的右侧时，当S1＜S KA时，单台变压器A单独运行较为节能经济;当S1＞S KA时，A、B两台变压器处于并列运行工况，较为节能经济，即此工况条件下当变压器A处于满载运行之前，采取变压器A单独运行较为节能经济;而当变压器A处于满载之后，需投入变压器B，使变压器A、B按照并列运行方式，才能取得节能经济的运行效果。 图5 配电变压器工况5——运行损耗 2 变压器经济运行区的确定

国家标准GB/T 13462—1992A《工矿企业电力变压器运行导则》提出了变压器经济运行的概念，并结合按综合功率确定变压器经济运行区的方法，变压器在额定负载条件下的运行应属经济运行区。因此，经济运行区的上限值定为β=1，经济运行区的下限值所对应的损耗率如图6所示，与额定负载损耗率相等。在经济运行区运行时，其损耗率要低于额定负载损耗率，即变压器在经济运行区间的效率要高于变压器在额定负载下的运行效率。 2．1 变压器经济运行区的确定

结合式(1)和式(2)可获得配电变压器综合功率损耗率表达式为

根据式(7)可获得配电变压器综合功率损耗率的特征曲线如图6所示。 图6 配电变压器综合功率损耗率曲线

从图6可知，配电变压器综合功率损耗率与负载率β间不是完全递增或递减函数关系，GB/T 13462—1992A认为额定负载下运行就是配电变压器节能经济运行工

况区的上限值，即β=1时，配电变压器的功率损耗率可表示为

当配电变压器处于任意负荷率βJ2条件下，其综合功率损耗率可表示为

由于ΔP J2=ΔPZ，联合式(7)和式(8)可获得的关系式为

由于存在 S Ncosφ≫P0Z+P KZ和 βJ2 S Ncosφ≫P0Z+β2J2P KZ关系，所以式(9)可简化为

将变压器空载损耗、负载损耗等特性参数值代入式(10)中，可获得变压器节能经济运行最低下限值:

即配电变压器经济运行区域的负载率β满足≤β≤1的关系。 2．2 变压器经济运行区的优选运行段

GB/T 13462—1992A《工矿企业电力变压器运行导则》中规定，变压器经济运行区优选段的上限值选定为0．75，因此，可将配电变压器运行工况区域划分为最佳节能经济运行区域、经济运行区、以及最恶劣运行工况区3类，划分情况如图7所示。

从图7可知，配电变压器综合功率运行工况区域范围具体划分为: (1)最佳节能经济运行工况区(变压器选型设计优选段)＜ β ＜ 0．75。 (2)经济运行工况区 (3)非经济运行工况区:

按照相同分析方法，可对变压器有功功率和无功功率损耗分析进行经济运行区划分。 图7 配电变压器运行区域经济划分

3 确定变压器间负载的经济分配

当一个企业的用电负载由几台变压器分别供电时，变压器有功功率和无功功率总损耗为所有变压器损耗的总和。从大量文献资料和实际设计工作经验可知，在建筑物内部用电负荷总量不变，且变压器运行方式也不变的条件下，变压器间负载量的分配不同，其变压器系统总有功损耗和无功损耗也会有很大差别。因此，在多台变压器单独运行或并列运行模式下，需要对变压器间的总负载进行经济分配，从而使各变压器均运行在最优工况下，使变压器总有功功率损耗和无功功率损耗降到到系统最低值，达到节能降耗的目的。 4 保持配电变压器三相负荷实时平衡

当配电变压器三相负荷处于不平衡状态时，会造成变压器三相压差过大，从而产生负序电压，导致供配电系统电压发生波动，影响电压质量和供配电系统安全可靠运行。由于变压器某相绕组中负荷电流过大，导致该绕组的铜损增加，变压器损耗增大。负荷三相不平衡还会造成变压器内部磁路不平衡，从而形成大量的漏磁通，且在流经铜皮、变压器铁心夹件等部件时发生发热现象，增大变压器内部杂散损耗。因此，在高层楼宇建筑电气系统设计、施工及后期运行维护过程中，应对电力负荷进行充分的统计分析，设计出高效、经济、合理的供配电系统方案，并采取先进的技术手段措施，保持变压器运行时其三相负荷长期处于近似平衡工况;变压器选择应尽量选在负荷中心位置。在后期运行维护过程中，通过监控系统实时监测供配电系统电压水平，并对不合理运行工况进行及时调整;对于高层楼宇建筑中的大容量单相电气设备，应设专用单相变压器，并直接接在供配电系统的高压网络上;同时采取相应无功补偿及消谐装置，提高供配电系统功率因数，保证建筑电气供配电系统安全、稳定、节能、经济的高效运行。 5 选用新型节能变压器

20世纪90年代以前修建的楼宇建筑，使用的配电变压器大多是役龄超过20年的

“”和“73”系列的高损耗供配电变压器，与现代节能建筑中推广使用的S10、S11系统的节能型配电变压器相比，变压器空载损耗要高出70%以上，而且负载损耗也要高出20%以上，加之变压器长期不合理运行，缺乏有效维护管理，老化现象十分严重，大大增加了变压器运行的综合能耗。

从大量实际工作经验来看，在配电变压器运行过程中，其过电压水平达到额定电压值的5%时，内部铁损量将会增加到15%;而当配电变压器的过电压水平达到额定电压值的10%时，其内部铁损量则会急骤增加到额定电压值的50%以上，且变压器内部空载电流值也会大幅增加，从而增大了供配电系统的无功损耗总量。因此，选用新型节能配电变压器对提高建筑电气系统的电能使用效率具有非常大的意义。 6 结语

为保证国民经济的可持续发展，在当前能源供应十分紧张的情况下，唯有大力提倡推进节能，而配电变压器的节能对于楼宇建筑来说是非常重要的。配电变压器的节能运行以及节能变压器的推广，对于解决我国电力供应紧张，建立节约型的社会有着非常重要的意义。

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［2］ 张笠．再谈配电变压器节能和容量优化［J］．建筑电气，2010(1):39-41． ［3］ 李红生．配电变压器节能运行方式的探讨［J］．福建能源开发与节约，2002(3):21-22．

［4］ 刘洪涛．配电变压器节能研究［D］．北京:华北电力大学，2008．