降低变压器的损耗提高变压器效率

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「电力系统」

降低变压器的损耗　提高变压器效率

文／石家庄炼化分公司　　刘喜荣

电力变压器在运行中的损耗是不可避免的，　通过对变压器运行中损耗进行了理论分析和实际计算，总结出在实际运行过程中如何控制变压器的负荷大小，以及影响变压器效率的有关因素，　以减少变压器自身的损耗，节约电能，降低成本，使变压器达到最为经济良好运行状态，提高经济效益的目的。

在国民经济的各个生产部门，变压器已经被广泛应用。它可以把交流电源电压按照使用要求升高或降低。因此，在电力系统中大量电能的输送和分配，在工业企业中各种电气设备的电能利用，以及其他需要改变交流电压的各种场合，变压器都获得了广泛的应用。

在我石炼站变压器主要作为降压变压器来使用，为不同电压等级的用电负荷提供电能。在电力系统中，由于用电体系的负载大多数都是感性负载，而不是纯电阻性负载，这些负载除吸收系统的有功功率做功外，还需要电力系统供给大量无功功率，使电网功率因数下降。这不但降低了发供电设备的出力，也增大了电能损耗。作为电力系统重要设备的变压器，在电力输送中也会损耗一部分电能。因此，分析变压器功率损耗以及功率因数与损耗的关系，对节能降耗具有十分重要的意义。

变电站主变经济运行方式是指在不影响供电负荷条件下，通过选取最佳的运行方式，使变压器电能损耗降到最低。变压器的损耗占其总容量的比例虽然不大，但是它的年损耗总额却很大。目前我站２台ＳＦ８－３１５００／１１０型主变压器（高压侧为１１０　ｋＶ系统，低压侧为６　ｋＶ主系统）运行长期处于空载状态或额定负荷的１０％～２０％状态下运行；每一年每台变压器损耗大约可达３０多万千瓦时　。

压器的有功功率损耗可用下式表示

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｐ＝Ｐｎ＋Ｐｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）式中　　　Ｐ——总的有功功率损耗；

　　Ｐｎ——空载有功功率损耗；

　　　Ｐｔ——在一定负载下的负载有功功率损耗。１）　变压器空载损耗Ｐｔ是只与变压器铁心相关的常数，它不随变压器负载的变化而变化。此损耗包括铁心中磁滞和涡流损耗及空载电流在一次线圈电阻上的损耗，前者称为铁损，后者成为铜损。由于空载电流很小，后者可以略去不计，因此，空载损耗基本上是铁损。

空载损耗与所带负载大小无关，只要一通电，就有空载损耗。

影响铁损的因素很多，以数学式表示，则　　　　　ＰＦｅ＝Ｐｎ＋ＰＷ＝Ｋｎ　　ｆ　Ｂｍｎ＋　ＫＷ　ｆ　２Ｂｍ２　　　　　　　　　（２）式中　　　　Ｐｎ、ＰＷ——表示磁滞损耗和涡流损耗；

　　　Ｋｎ、ＫＷ——常数；

　　　　　　　　　　　　　　ｆ　——变压器外施电压的频率；　　　　　　　　　　　Ｂｍ——铁心中最大磁通密度Ｔ；　　　　　　　　　　　　　ｎ——什捷因麦兹常数，对常用的硅钢　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　片，当Ｂｍ＝（１．０～１．６）Ｔ时，ｎ≈２。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　对目前使用的方向性硅钢片，取　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２．５～３．５。

根据变压器的理论分析，变压器的铁损与外施电压有很大关系如果电压Ｕ为一定值，则铁损不变（因为ｆ不变），又因为正常运行时Ｕ１＝Ｕ１Ｎ，故空载损耗又称不变损耗。如果电压波动，则空载损耗即变化。

变压器的负载与其损耗的关系分析

电力变压器的有功功率损耗包含变压器空载损耗和变压器负载损耗两部分，在一定的负载下，变

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２）　负载损耗Ｐｆ则为变压器绕组中的铜线圈电流损耗，此损耗是指变压器一、二次线圈中电流在电表１　　３１　５００　ｋＶ・Ａ变压器在ｃｏｓφ＝０．９时不同负荷下的损失率阻上产生的铜损耗及励磁电流在励磁电阻上产生的负荷电流（％）

铁损／ｋＷ铜损／ｋＷ总损失／ｋＷ损失率（％）１０２７．６２７　２６４．５５１　５３２．１７８　７６１．１３５铁损耗。当电流为额定电流时，后者很小，可忽略２０２７．６２７　２６８．６６１　５３６．２８８　７６０．６４不计，故主要是电流在一、二次线圈电阻上的铜损。３０２７．６２７　２６１５．５１１　５４３．１３８　７６０．５０７　２负载损耗与所带负载大小有关，变压器性能参数中４０２７．６２７　２６２５．１０１　５５２．７２８　７６０．４６５　０５０２７．６２７　２６３７．４３１　５６５．０５８　７６０．４６２　７的负载损耗是额定值，也就是流过额定电流时所产６０２７．６２７　２６５２．５０１　５８０．１２８　７６０．４７１生的损耗。

７０２７．６２７　２６７０．３１１　５９７．９３８　７６０．４９３　５根据Ｐ＝Ｉ　２Ｒ，对三相变压器在任意负载时，铜８０２７．６２７　２６９０．８６１　５１１８．４８８　７６０．５２２　４９０２７．６２７　２６１１４．１５１　５１４１．７７８　７６０．５５５　７损表达式

１００

２７．６２７　２６

１４０．１８１　５

１６７．８０８　７６

０．５９１　９

ＰＣＵ＝ＰＣＵ１＋ＰＣＵ２＝３（Ｉ２１Ｒ１＋Ｉ２′２　Ｒ２）

量过程中必定产生损耗，包括一次绕组的铜耗，二　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＝３Ｉ２１（Ｒ１＋　Ｒ２′）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）次绕组的铜耗和铁心损耗。但在实际生产运行过式中　　　　Ｉ１——一次线圈的负载电流；

程中，通常以空载损耗和负载损耗来作为衡量变　Ｉ２′——二次线圈折算到一次的电流；压器损耗的两个重要参数，以此为依据，可以方　　　Ｒ１——一次线圈的电阻；

便地计算出任意给定负载时的变压器效率，控制Ｒ２′——二次线圈折算的一次电阻。

变压器的二次电流，使变压器经济运行，提高其由上式可见，变压器的铜损和负载电流的平方效率。

成正比。考虑到负载运行时，负载电流的变化，故假设变压器的负载损耗为ＰＣＵ，空载损耗为此损耗又称可变损耗。

ＰＦｅ，则

若令β表示负载系数，即

Ｐ２＝Ｕ２Ｉ２ｃｏｓθ２＝（Ｉ２／Ｉ２Ｎ）Ｕ２Ｉ２Ｎｃｏｓθ２

　　　　　　　　　　Ｂ＝Ｉ１／Ｉ１Ｎ＝ｋＩ１／ｋＩ１Ｎ＝Ｉ２／Ｉ２Ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＝βＳＮｃｏｓθ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）

则铜损

Ｐ１＝Ｐ２＋ΣＰ

　　　　　　ＰＣＵ＝β２Ｉ　２１Ｎ（Ｒ＋Ｒ２′）＝　β２ＰＣＵＮ　　　　　　　　　　（５）　　　　　　　　　　＝βＳＮｃｏｓθ２＋β２ＰＣＵ＋ＰＦｅ　　　　　　　　　　　　　　（７）式中Ｐ２ＣＵＮ＝Ｉ１Ｎ（Ｒ１＋Ｒ２′），是线圈电流为额定所以变压器的效率为

值时的铜损。

η＝Ｐ２／Ｐ１＝Ｐ２／（Ｐ２＋ΣＰ）

故Ｐｆ与负载电流的平方成正比。Ｉ０％、Ｕｄ％为变　　＝（βＳＮｃｏｓθ２）／（βＳ２Ｎｃｏｓθ２＋βＰＣＵ＋ＰＦｅ）　　　　（８）压器一个固定参数，它们由变压器铭牌或变压器技式中　　　　Ｐ１——变压器输入功率；

术参数说明书提供，故变压器损耗主要受负荷变化　　　　Ｐ２——变压器输出功率；影响的铜耗决定。

ΣＰ——变压器的损耗功率；

我站一台３１　５００　ｋＶ・Ａ变压器的有功功率损耗　　　　β——变压器的负载系数，随变压器二次侧情况如下。

　　　　　　　　　　　　　　　　负载电流变化，β＝Ｉ２／Ｉ２Ｎ；如表１所示，单从变压器功率损失来看，利用　　　　　Ｉ２——变压器二次侧负载电流；率在４０％～７０％间为变压器损失率最低、经济运行　　　Ｉ２Ｎ——变压器二次侧额定电流；最好的情况。同时从表１的数据中看出：当变压器　　　　ｃｏｓθ２——负载功率因数；

轻载时，空载损耗占变损的大部分；但当负荷达到　　　　ＳＮ——变压器的额定视在功率；一定数值时，负载损耗便增大成为变损的主要部分。　　　　η——变压器的效率。

由此可见，在确定变电站主变压器运行方式时，必由此可以看出效率η并不是常数，它与二须综合考虑变压器空载损耗和负载损耗的影响。运次侧负载电流的大小以及负载的性质有关，当行中的变压器铁损是恒定的，而铜损是随负荷变化负载的功率因数保持不变时效率是随负载电流而变化，使变压器的运行效率也随之变化。当变压而变化的。

器的铜损与铁损相等时，它的运行效率最高，电能为了求得最大效率，对式（８）取ｄη／ｄβ＝０，求损耗最小。

其极值条件为ＰＦｅ＝β２ＰＣＵ。

３）　变压器作为一种能量转换装置，在转换能

上式中，ＰＦｅ是空载损耗，其值是不变的，而

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β２ＰＣＵ随负载电流平方变化，其值是可变的。由此，可以看出当可变损耗等于不变损耗时效率达到最大，即

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　βＰＦｅ／ＰＣＵ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）

一般电力变压器的ＰＦｅ／ＰＣＵ＝１／４～１／３，故最大效率发生在β＝０．５～０．６，这样可以随时调整变压器负载大小及运行方式，控制变压器的二次电流，把变压器的损耗控制在较低的范围，使其经济运行提高效率，从而为节约电能，降低成本做出贡献。

成本；同时合理调配用电负荷的均衡性，稳定性，以减少负荷波动引起的附加铜损。

６．　采用节能型无功补偿装置，实现无功补偿无功补偿就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗。我站采用并联电容器补偿装置，使无功功率得到了一定程度的补偿，但是由于６４９、６７５电容器组使用是传统的固定式电容补偿装置，电容器、电抗器设备老化，技术落后，操作调整复杂，运行不经济，且电容器分散布置，占地面积大。根据我厂供电负荷情况，应科学合理地选用自动化水平高、补偿效果好的节能型无功自动补偿装置，更有效地来提高负载的功率因数，减少无功损耗，提高运行效率。

７．　推广使用低损耗变压器

近年来世界各国都在积极研究生产节能材料，变压器的铁心材料已发展到现在最新的节能材料——非晶态磁性材料，如２６０５Ｓ２非晶合金铁心变压器。使用２６０５Ｓ２制作的变压器，其铁损仅为硅钢片变压器的１／５，铁损大幅度降低。非晶合金铁心变压器，具有低噪声、低损耗等特点，其空载损耗仅为常规产品的１／５，且全密封免维护，运行费用极低。

Ｓ１１是目前推广应用的低损耗变压器。Ｓ１１型变压器卷铁心改变了传统的叠片式铁心结构。硅钢片连续卷制，铁心无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少了６０％～８０％，提高了功率因数，降低了电网线损，改善了电网的供电品质。运行时的噪声水平降低到３０～４５ｄＢ，保护了环境；非晶合金铁心的Ｓ１１系列配电变压器系列的空载损耗较Ｓ９系列降低７５％左右，但其价格仅比Ｓ９系列平均高出３０％，其负载损耗与Ｓ９系列变压器相等，我站现用的厂用４台变压器设备已老化，损耗也较大，建议更换为Ｓ１１型低损耗变压器。

与变压器效率的有关因素

１．　变压器容量

变压器传递功率过程中要产生损耗，分别是空载损耗和负载损耗，在确保变压器安全和可靠运行的基础上，要选用损耗低的变压器。我国节能型变压器在质量方面已达较高水平，　合理选择变压器的容量，使变压器的负荷率最佳，其运行效率也最高。一般认为配电变压器负荷率为额定容量的５０％～７０％较合适，而对主变压器则应尽量按最大需求量选择容量，以确保变压器在经济、安全可靠的状态下运行。

２．　合理选择供配电电压

在额定电压允许情况下，提高引入的高压电压等级，是降低线损率的有效措施，一般在３５　ｋＶ及以上供电电网中，每提高运行电压１．０％，可降损　１．２％。

３．　减少空载损耗

对暂不用供电回路，应及时断开电源线路，以减少线路上的空载运行损耗。

４．　负荷管理

限制变压器最高负荷和最低负荷，控制过载、轻载和空载现象。利用我站的３台发电机来调整变压器的运行负荷，因为我站３台发电机组是利用余热发电，所发出的电能并入我站６　ｋＶ主系统，不允许向电网反送，这样可以将发电机当作调节阀门，使主变压器在合理的负荷范围内运行。调整变压器负荷的不对称度，力求三相负荷平衡，以减少负荷不对称产生的附加铜损。

５．　利用峰谷差别电价

建立用电管理制度，及时分析负荷突变原因，采取错峰填谷措施，用电高峰时段利用发电机多发电，以减少此时段高电价外购电的费用；用电低谷时段少发电，多购低电价外电网电能，以减少发电

结束语

尽管变压器的损耗不是很大，但是变压器运行时间长，日积月累，损耗数目相当可观。因此提高变压器经济运行，必须根据变压器现有的有关技术参数结合实际负荷情况及现场情况，通过合理地选择运行方式，加强变压器的运行管理，充分利用现有的设备条件，减少变压器的有功功率损耗，以达到降损节能的目的。EA

（收稿日期：２０１０．１０．１８）

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