變電站變壓器經濟運行的探討

劉 霖,丁文田

（鄭州供電公司，河南鄭州，450000）

0 前言

提升電網經濟效益的主要手段是降低電網的損耗率，而電網損耗率要想降低，就要通過降低運行變壓器的有功損耗，因此變電站變壓器經濟運行的問題成為電力專家及企業高度關注的問題。本文首先概述變壓器經濟運行的重要意義，簡析變壓器組成及工作原理，并對變壓器經濟運行模式進行分析，最后對變壓器經濟運行模式控制系統展開探討。希望能通過分析和探討一定程度改善變電站變壓器的經濟運行狀況，以提高電網經濟效益，最終實現節省能源的目的。

1 變壓器經濟運行的意義

能源是社會及經濟發展的動力，也是人類賴以生存的必要條件，隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平的不斷提高，能源的消耗問題已經成為人們關注的焦點，如何節約能源也具有非常重要的意義。電力就是一種使用便捷的二次能源，變壓器是應用廣泛的一種電氣設備。通常來說，從發電、供電到用電的過程需要進行三到五次的變壓，所以變壓器的數量和容量都比發電機要高。變壓和傳遞功率過程，變壓器會產生功率損耗，而且由于變壓器數量及容量都很高，所以在電力系統中變壓器電能損耗占總發電量的十分之一左右，而變壓器損耗占電力系統總損耗的一半左右，也就是說變壓器的經濟損耗就等同于一個大型電力系統的發電量。因此，對于變電站變壓器經濟運行的研究已經成為發電、供電及用電部門共同關注的焦點。

變壓器電能損耗降低的途徑有改造并更新高能耗變壓器，同時開發節能變壓器，還有一種方式是對變壓器經濟運行進行探究。我國前幾年實行了農村電網改造工程，幾乎所有的供電和用電部門都將高能耗變壓器更換掉，但由于傳統觀念的影響，或是容量電價制約、科學分析制約等因素影響，大部分供電和用電單位的變壓器沒有采取經濟運行方式。根據有關部門統計，如果全國推行變壓器經濟運行，至少能節省用電總量的1%，也就是每年全國可節省100億kWh以上的電量。因此對于變電站變壓器經濟運行的探究具有非常重要的意義。

2 變壓器組成及工作原理概述

2.1 變壓器組成

變壓器最基本的組成有繞組和鐵芯，但為了更好的解決變壓器運行中遇到的問題，如散熱、密封和安全問題等，變壓器通常還包含油箱、儲油柜、平板式接線端子、冷卻裝置、有載分接開關和測量油溫的溫度計等。

繞組是組成變壓器電路的部件，作為電流的載體產生感應電動勢和磁通；鐵芯的主要作用是支撐繞組并構成磁路，為提高導磁性能并降低鐵芯的渦流損耗及磁滯損耗，變壓器的鐵芯利用低損耗、高磁導率的冷軋硅鋼片制作而成；油箱包括吊攀、溫度計座、拖耳、擋板、壓力釋放閥、進油閥和接地板等；儲油柜包括排污管、放氣塞、進油管、油位計和吊攀等；冷卻裝置通常包括供電電源切換裝置和低噪音風扇等。

2.2 變壓器工作原理

變壓器的原繞組和副繞組分別纏在同個鐵芯兩側，根據電磁感應原理，原繞組有交流電源提供的電流i1經過時，會對鐵芯產生影響從而鐵芯產生出同時交連于兩個繞組的交變磁通，產生的交變磁通會使原副繞組產生相同頻率的感應電動勢。假設原、副繞組感應電動勢分別為e1、e2，副繞組利用負載Z形成回路，e2就可以作為Z的電源進行工作。結合圖2-1顯示的正方向和電勢感應定律可知：

因此，交流電源使原繞組獲得電能，然后通過鐵芯中的交變磁通副繞組將電能傳遞給負載。原繞組和副繞組的電動勢滿足電壓比例公式從公式可以看出原繞組和副繞組變化會使e2變化。實際上，變壓器可以傳遞交流電能，而且不會被改變，但是交流電流和交流電壓會改變，頻率不會被變壓器影響。

3 變壓器經濟運行模式分析

3.1 經濟負載系數

在傳輸電能的過程中，變壓器自身會消耗一定功率（包括無功功率損耗和有功功率損耗），變壓器經濟運行中存在綜合功率損耗，所謂綜合功率損耗是指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。傳輸電能的過程中，變壓器的自身損耗功率與其傳輸功率之比成為功率損耗率，和負載率是二次曲線關系，關系圖如圖3-1所示。

圖3 -1 變壓器功率損耗率和負載率的曲線關系圖

從變壓器功率損耗率與負載率的關系圖可以看出，功率損耗曲線存在一個永久的最低點，我們將這個最低點所對應的負載系數成為有功經濟負載系數，因此對變壓器無功功率損耗率和變壓器綜合功率損耗率求導后能得到綜合經濟負載系數和無功經濟負載系數。

3.2 變壓器經濟運行區間劃分

利用變壓器技術參數可以計算出運行經濟負載系數，但是在實際運行中的變壓器的負載是變化的，以綜合功率經濟運行為例，變壓器經濟運行區間可以劃分成以下幾個階段：第一，經濟運行區，也稱可運行區。變壓器在這個區間的損耗率比額定負載損耗率要低；第二，最佳經濟運行區，這個區間的變壓器運行效率很高；第三，最劣運行區，變壓器在這個區間的運行效率最低，損耗率最高。

圖2.1 變壓器工作原理圖

變壓器節能與負荷率不是成正比，也就是說即使變壓器處于最佳經濟運行區內，也并非一定是最節能運行方式，最科學的經濟運行方式是負荷率最大程度的與經濟負載系數接近，在實際中應該根據變變電站實際情況并進行計算和分析后，選擇最適當的變壓器容量、型號和負載率。變壓器經濟運行系數也不是固定的，變壓器系列不同其經濟運行系數就會不同，經濟運行系數越低的變壓器節能效果越好。

4 變壓器經濟運行控制系統研究

目前使用比較廣泛的變壓器經濟運行分析軟件，基本是先對變壓器運行數據進行分析，然后將變壓器經濟運行方式轉達給調度部門，再由調度部門向調度員傳達命令，最終變電站運行人員才能完成操作，這個復雜的過程會嚴重影響執行效率，而且過程復雜再加之頻繁的認為操作，會大大提高操作失誤或錯誤的幾率，從而對電力系統運行的可靠性、安全性和經濟性都有很嚴重的影響。如何高效快速的將變壓器經濟運行方式投入到變電站運行中去成為最急切需要解決的問題，變壓器經濟運行控制系統能夠有效解決這一問題，變壓器經濟運行控制系統也就是變壓器經濟運行實時監控系統，利用自動投切變壓器實現變壓器的經濟運行，能夠對變壓器進行遠程、實時和集中的控制，不僅節約電能、提高電能質量，還提高電力系統的自動化水平，同時變壓器使用壽命也大大延長，對電力系統所帶來的社會效益和經濟效益都有很大促進作用。因此，設計和開發變壓器經濟運行控制系統具有十分重要的意義。

4.1 傳統變壓器經濟運行控制系統

電網正常運行下，變壓器運行方式轉換是正常工作狀態的轉換，而不是故障狀態下的轉換。實際的電網運行中負荷情況會不斷變化，其大小不能通過人為來控制，但變壓器運行方式取決于實際投運的負載情況。傳統變壓器正常運行轉換過程為：變壓器經濟運行分析軟件結合負荷投運情況及變壓器參數、經濟運行條件，決定其經濟運行方式，然后值班人員對其結果及客觀條件進行分析，按照操作流程人工確定變壓器運行方式轉換的操作票，最后根據操作票手動或自動完成其經濟運行方式的轉換。

傳統變壓器經濟運行方式轉換的缺點主要包含兩個方面：第一，諸多客觀因素會對儀表采集的負荷投運情況有影響，如造成電氣設備動作誤差或儀表數據采集誤差等；第二，整個變壓器運行方式轉換的過程都要有人員參與，因此要求值班人員具備專業知識，這樣才能降低由于人為操作或判斷錯誤而造成錯誤或失誤操作。通常變電站變壓器運行中負荷會發生多次變化，所以值班人員承受的工作壓力和勞動強度較大，如果負荷發生大幅度變化，還會增大變壓器經濟方式比較和判斷的難度，很可能錯過最佳變壓器經濟運行方式時機。

4.2 變壓器經濟運行控制系統優化

科學先進的變壓器經濟運行控制系統通常包含主變經濟運行分析、電網模型管理和自動控制等功能。主變經濟運行分析和自動控制功能：操作人員采取人工介入方式能夠更經濟和高效的對設備進行控制，控制系統通過命令的方式為開環控制提出方案，操作人員根據調整后可降低的有功損耗、無功損耗及實際情況對是否進行控制加以判斷。另外，如果想要降低操作人員的工作強度，可以選擇完全由變壓器經濟運行控制系統結合參數和事先準備好的計算方法計算出最適合的方案，實現自動控制；電網模型管理功能：變壓器經濟運行控制系統內部具有圖模庫一體化建模工具，首先系統利用建模工具建模，能夠保證數據的完整性，同時也能確保數據庫和圖形數據保持一致，其次系統建模以一定標準進行，有利于與高級應用軟件系統之間的交互，降低維護系統的工作量。對變壓器經濟運行控制系統進行優化，主要要體現其先進性和科學性，因此就要充分應用計算機科學技術、通信技術和高級應用軟件即EMS功能，其中EMS功能主要包括潮流計算、網絡拓撲、負荷預測和狀態估測等，對變壓器運行經濟控制系統的優化過程中，利用這些科學先進的技術，能夠很好的解決傳統變壓器經濟運行系統的不足之處。

5 結束語

變壓器是電力系統運行過程必不可少的設備，變壓器在變換電壓和傳輸功率時，自身不僅會產生有功功率損耗，還會產生無功功率損耗。如果不考慮其他因素，即使變壓器工作效率高達95%以上，但由于變壓器使用數量多且容量高，長期連續運行必然會產生較大的損耗累計值，根據有關部門提供的數據顯示，全國電網中變壓器損耗占發電總量的3%以上，因此對變電站變壓器經濟運行的探討十分重要，同時也要設計并開發變壓器經濟運行控制系統，實現對變壓器經濟運行的智能化、自動化和高效的控制。

[1]羅宜,李咸善,變電站變壓器經濟運行的探討,華中電力,2007, (02)

[2]黃強,游大海,變電站變壓器經濟運行的探討,湖北電力,2001, (02)

[3]崔傳軍,變電站變壓器經濟運行的論述,硅谷, 2010,(24)