调容变压器节能运行分析

调容变压器节能运行分析孙茁１，王晶2（1.三门峡供电公司，河南三门峡472000；2.河南富达精工电气高科技有限公司，河南三门峡472000）[摘要]介绍调容变压器，提出节能临界容量概念，利用数值计算和图像分析方法分析调容变节能运行条件，对调容变运行可起到指导作用。关键词调容变压器变压器损耗曲线节能临界容量运行分析0引言调容变压器（以下简称调容变）是近年研发并推广应用的配电变压器，其额定容量可以根据负荷转换，从而解决了变压器长时间轻载运行损耗较大的问题，达到节能目的。由于调容变实际应用时间不长、运行数量不多，人们对它的特点尤其是运行特性还不太熟悉和了解，甚至有人在对调容变和普通变压器的运行损耗做简单对比计算后得出了“调容变似乎并不节能”的结论，因此本文基于调容变特点，对调容变的运行损耗进行数值计算和图像分析，以期指导调容变节能应用。1调容变概述调容变是一种特殊配电变压器，具有两种额定容量。在实际运行中，它根据负载情况对高压绕组联接组进行“D”、“Y”变换，同时对低压绕组进行“并联”、“串联”变换，来实现两种额定容量的转换。调容变在两种额定容量下具有不同的空载损耗和负载损耗值，因此根据实际负荷，调整额定容量，可防止“大马拉小车”，减少运行电能损耗。调容变主要用于负载分散、季节性用电量差异大且平均负荷率较低的场合。调容变两种额定容量间的转换可采用无载调容开关，即在变压器停电后操作调容开关，同时改变高、低压绕组的联接方式，实现额定容量的转换；也可采用有载调容开关，即根据实际负荷情况，在运行状态下操作调容开关，实现额定容量的转换。如果再对有载调容开关配以自动控制器，那么就可以根据负荷大小和变化情况对调容变实现两种额定容量间的自动转换。显然，采用有载调容开关可以大幅缩短调容变容量转换时间并减少工作量，从而提高供电可靠率，同时还能达到减少变压器电能损耗的目的。在调容变产品型号的组成形式中，将低档位的额定容量写在括号中，如一台三相油浸密封式、损耗水平为“11”、315kVA变换为100kVA的10kV有载调容变的型号为S11-M.ZT-315(100)/10，其中的“ZT”表示“有载调容”。在给出调容变的其它技术参数值时，也将对应于小额定容量的值写在括号中，如某台调容变的空载损耗PO为290（130）W、负载损耗PK为3200（1250）W，括号中的数值即为对应于小额定容量的值。2变压器的损耗和节能2.1变压器的损耗变压器运行时的损耗P由空载损耗PO和负载损耗PK构成，即：P＝PO＋PK＝PO＋（S/SN）²·PKN＝PO＋β²PKN（1）式中，PO为变压器运行时的空载损耗；PK为变压器运行时的负载损耗；SN为变压器的额定容量；PKN为变压器满载运行时的负载损耗（额定负载损耗）；S为变压器运行时所带负荷的视在功率；β＝S/SN为变压器的负载系数。对于一台成品变压器，其PO是不会随变压器所带负荷变化的。式（1）中，变压器的负荷用视在功率S来表示，并没有用有功功率P和无功功率Q来表示，这是因为分析的是变压器运行时的负载损耗值，而它只与负荷的电流值有关，在电压值一定的情况下，负荷电流所对应的就是负荷的视在功率，因此负荷的视在功率S也就代表了负荷电流。变压器运行时的负载损耗PK不但与其额定负载损耗PKN有关，还与负载系数β有关。当PKN一定时，PK随变压器所带负荷而变，与负载系数的平方成正比。对于一台成品变压器，由于其SN、PO、PKN都是常数，因此可得到一个关于变压器所带负荷S的二次方程。P＝PO＋（S/SN）²PKN（0≤S≤SN）（2）把给定变压器的技术数据代入式（2），并画出其图像，就会得到变压器的损耗曲线P（S），如图1所示。损耗曲线上每个点的横坐标表示变压器所带负荷的视在功率S，纵坐标表示此负荷对应的损耗P。当变压器带负荷运行时，其损耗P就会随着负荷S的变化沿着这条曲线变动，即损耗曲线表明了变压器运行时的损耗与其所带负荷的关系。2.2变压器的节能变压器作为一种电能变换和传输设备，希望它在运行过程中自身所消耗的电能越小越好，即要求变压器能够节能。通常说的“变压器节能”有两个方面含义。（1）节能变压器。甲、乙两台额定容量相同的变压器满负荷运行时，如果甲变压器的损耗P甲（＝PO甲＋PK甲）小于乙变压器的损耗P乙，那么甲变压器比乙变压器节能。（2）变压器节能运行。甲、乙两台容量不等或相等的变压器带相同容量负荷时，如果甲变压器的损耗P甲小于乙变压器的损耗P乙，那么在此负荷水平下，甲变压器比乙变压器节能。无论是以上哪种情况，变压器节能都是对其空载损耗与负载损耗之和而言，都要求二者之和尽可能小。实现第一种含义的变压器节能，要靠变压器的制造厂家从设计思路、计算方法、原材料性能、结构型式、制造工艺等方面采取措施，尽可能地降低变压器的空载损耗和额定负载损耗，从而制造出低损耗或节能变压器来。实现第二种含义的变压器节能，要靠变压器的运行单位。运行单位首先要选用低损耗变压器，同时要根据变压器的台数和各自的损耗曲线，在负荷变化时合理调整变压器的运行方式，以实现在这一负荷水平下变压器损耗最小，从而达到节能目的。本文所说的调容变节能运行就是从第二种含义上讲的。3调容变节能运行分析作为运行单位，只能从变压器节能运行着手，实现节能。假设某台型号为S11-M.ZT-315(100)/10的有载调容变，其空载损耗为480（200）W，额定负荷损耗为3830（1500）W，下面通过数值计算和图像分析，根据负荷大小合理安排其运行方式来达到节能目的。3.1计算分析为了便于分析调容变的节能运行条件，引入节能临界容量SLJ。其物理意义是，当调容变所带负荷为SLJ时，调容变置于两种额定容量档位上的损耗都是相等的，即有：200W＋（SLJ/100kVA）2×1500W＝480W＋（SLJ/315kVA）2×3830W（3）由式（3）可得SLJ为50.13kVA，即当S为50.13kVA时，调容变运行在100kVA档和315kVA档的损耗是一样的，为577W。式（3）经过变换，并代入SLJ的值，有：480W－200W＝（50.13kVA/100kVA）2×1500W－（50.13kVA/315kVA）2×3830W（4）式（4）左边是调容变大容量档时的空载损耗与小容量档时的空载损耗的差值，即小容量档时的空载损耗比大容量档的小280W；式（4）右侧是当所带负荷为50.13kVA时，小容量档时的负载损耗与大容量档时的负载损耗的差值。由此可见，小容量档时的空载损耗低优势在S＝SLJ时已被此时因负载系数相对较大（β＝50.13kVA/100kVA＝0.5013）而产生的较大负载损耗完全抵消。尽管大容量档时的额定负载损耗较大，但相对于315kVA的额定容量来说，负荷为50.13kVA时的负载系数（β＝50.13kVA/315kVA＝0.159）实在是太小了，此时大容量下较低的负载损耗与小容量档时较大的负载损耗之差在数值上正好等于两个空载损耗的差值。根据式（2）和给定的调容变参数，可计算出当实时负荷S＝0（空载运行）、S＜SLJ、S＞SLJ、S＝SN1、SN1＜S＜SN2时调容变运行于不同容量档位的损耗值，见表1。表1调容变运行损耗变压器负荷S/kVA损耗P/W节能运行容量档位/kVA100kVA档315kVA档020048010040440541.8100607406193151001700866315150╱1348.5315根据节能临界容量的概念和表1结果，可初步得出调容变节能运行的基本规律：当0≤S＜SLJ时，运行在小容量档上；当SLJ≤S≤SN2时，运行大容量档位上。3.2图像分析对应于调容变的两种额定容量，有两条损耗曲线，一条是P100（S），另一条是P315（S），如图（2）所示。调容变运行在哪个容量档位上，损耗P就沿着对应损耗曲线随负荷变化。（1）因PO•100＜PO•315，故曲线P100（S）起点低于曲线P315（S），表明调容变空载运行时，放在小容量档上较节能。（2）当0＜S＜SLJ时，曲线P100（S）位于曲线P315（S）下，表明调容变放在小容量档比放在大容量档损耗小。（3）当S＝SLJ时，两条损耗曲线有一个交点，表明此时调容变放在小容量档和放在大容量档的损耗相等。（4）曲线P100（S）的陡度较大，表明随负荷S的增大，损耗P急剧上升；曲线P315（S）的走势平缓，表明随负荷S的增大，损耗P缓慢上升。曲线P100（S）上升较快，虽然它的起点较低,但在S＝SLJ时，P100（S）就“追赶”上了P315（S）；而且当SLJ＜S≤SN1时，甚至“超过”了P315（S），这就表示在此负荷区间内，调容变放在小容量档比放在大容量档损耗大或者说此时运行在大容量档更节能。形成这一结果的主要原因是，小容量档时的负载损耗随其负载系数的增大而迅速增加，使得同一负荷水平上的小容量档损耗大于大容量档损耗。（5）实时负荷S越接近小额定容量SN1，调容变放在大容量档的节能效果就越明显，在图像上表现为实时负荷S距小额定容量SN1越近，两条曲线的差值就越大。这个差值就是当SLJ＜S≤SN1时调容变运行在小容量档与大容量档的损耗差；当S＝SN1时，这个损耗差值达到最大，为P100（100）－P315（100），此时调容变运行在小容量档上最不经济。由以上分析可以得出结论：当实时负荷S增加到SLJ时，应将调容变从小容量档转换至大容量档，而不要等到负荷增加到接近或等于小容量时才转换额定容量的档位。(6)当SLJ＜S≤SN2时，调容变在大容量档运行，与普通的不调容变压器没有区别。从数值计算和图像分析可知，调容变实现节能运行的本质就是根据所带负荷的大小和变化，运用人工或自动控制手段适时调节运行容量档位，使调容变始终运行于较低的损耗曲线上，从而达到节能目的。4结束语调容变适用于负荷波动大且多数时间处于较低负荷状态的供电场合，农村季节性负荷、单班制工矿企业、每天最大负荷持续时间很短等年平均负载率较低用户都可以选用调容变。为了使调容变达到节能运行目的，应根据负荷大小和变化情况适时转换两种额定容量，保证损耗始终最低。为了实时跟踪负荷大小，适时调整调容变的容量档位，宜选用有载调容变并配套使用自动控制器，这不仅可以减少运行人员工作量，提高供电可靠性，而且可真正实现节能运行。有载调容变自动控制器的容量转换值应整定为节电临界容量SLJ，且设置一定延时，以防止负荷波动引起误调容，同时容量转换值应整定为大额定容量值，因为在SLJ＜S≤SN1区间时调容变运行在小容量档比大容量档损耗更大。考虑到有载调容开关与调容变的运行寿命应相适应，调容变高、低档额定容量交替调节的平均频率不应大于6～8次/天，这一点在人工操作和自动控制器整定时都需注意。参考文献[1]JB/T10778—2007三相油浸式调容变压器[S][2]姚志松,姚磊.中小型变压器实用大全[M].北京:机械工业出版社,2008[3]姚志松,姚磊.新型节能变压器选用运行与维修[M].北京:中国电力出版社,2010[4]Q/GDW731—2012有载调容配电变压器选型导则[S]作者简介:孙茁(1955-),高级工程师,从事地区供电网运行和技术管理工作。[e-mail]