配电变压器节能降耗措施的探讨

作者:赵彦顺 来源:国电靖远发电公司 点击:  评论: 更新日期:2017年05月22日

摘要:随着我国经济的快速发展,用电量逐年增加,作为电力系统实现电能输送与分配的重要设备之一, 变压器的用量也势必不断增长, 降低变压器损耗是降低电网线损的关键。变压器的节能措施涵盖在变压器生产、使用、运行等各个方面。本文首先分析了变压器运行的损耗及制造中的降耗措施,然后从配变损耗增大原因及在变压器的选型、配置、运行方式、无功补偿和管理等7各方面个方面探讨了变压器的节能降耗措施。
    关键词:配电网;变压器;节能降耗
    1 引言:变压器是电网中运用最普遍的设备之一,它贯穿于电力系统的发、输、变、配、用各个环节。一般说来,从发电到用电需要经过3~5次的电压变换过程,其中变压器必然产生有功和无功损耗,其电能总损耗约占发电量的10%。尤其在配电网中,增加配变布点的要求使得配电变压器的数量和总容量非常庞大, 在配电网线损中配电变压器损耗占了60%以上。在整个电力系统中,变压器中占了相当比例。因此,提高配变的运行效率、降低配网损耗具有极为重大的意义。
    2  变压器的损耗分析及在制造工艺上应采取的措施
    变压器运行时从电网吸收功率,其中很小一部分消耗在原绕组的电阻和铁心上。其余部分通过电磁感应传给副绕组,副绕组获得的电磁功率又有很小一部分消耗在副绕组的电阻上,其余的传给负载。其中消耗在电阻上的叫铜耗,消耗在铁心上的叫。变压器的损耗就包括铁损和铜损。铁耗与铁芯的材质有关,与负荷大小无关,其值基本上是固定的;铜耗与变压器的负载密切相关,近似与负荷电流的平方成正比。
    2.1 降低空载损耗,改进铁心结构。
    空载损耗虽然只占变压器总损耗的20%~30%,但它不是随负载变化而变化的损耗。对于年最大负载利用小时较低的中小型变压器来说,降低空载损耗的意义更为重大。变压器空载损耗为Po=KcPcGc,要降低空载损耗,就必须降低铁心质量Gc、单位损耗Pc、工艺系数Kc。
    改进措施
    (1)采用优良的硅钢片。硅钢片越好,则单位损耗Pc越小。
    (2) 改进贴心结构和工艺,降低工艺系数Kc。当硅钢片一定时,单位损耗一定,而降低铁心质量时,磁通密度增大,单位损耗成二次方的增大,空载损耗反而上升,所以只能降低工艺系数Kc。
    2.2  降低负载损耗,改进绝缘结。
    负载损耗占总损耗的70%~80%,数值很大。变压器的负载损耗近似为绕组的电阻损耗。表示为Pk=KmδGm(?)即负载损耗与铁芯损耗于导线质量Km、电流密度δ、电导率Gm有关。
    降低措施:
    (1) 降低电导率Km,采用电导率高的铜线。
    (2) 降低导线重量时,电流密度成二次方增大,负载损耗反而上升。降低电流密度,可以降低负载损耗,但导线重量增大,浪费了材料。
    (3) 从减少匝数出发,可以降低负载损耗,但增大了铁心质量。
    因此,直接改变变压器导电体数据来降低负载损耗是有困难的,除了适当降低电流密度外,只有从改善绝缘结构、缩小绝缘的体积。提高绕组填充系数着手,来减少绕组尺寸,以减少负载漏损耗。
    2.3 降低其他损耗,改进其他结构。
    设计中应将绕组安匝调整得很平衡,控制了绕组的漏磁通。这就降低了邮箱等结构件中的杂散损耗;在变压器油油箱上还采用波纹油箱代替管式散热器,从而体改了散热效率;铁轭绝缘采用整体绝缘,绕组出头和外表加强绑扎,对绕组绕制尺寸加以严格规定,这些都有助于提高绕组的机械强度。
    3. 造成变压器损耗增大的外部原因
    3.1  温度过高 
    电力变压器的温升每超过8℃,寿命将减少一半。如果它的运行温度超过变压器绕组绝缘允许的范围,绝缘迅速老化,甚至使绕组击穿,烧毁变压器。所以要降低电力变压器运行温度实现节能。
    3.2  三相电流不平衡。
    负序电流最大不能超过正序电流的5%。如果变压器绕组为YO接线,在中线流过的电流不应超过变压器的额定电流的25%。否则损耗将加大。
    3.3  高次谐波
    在电力系统中各种高次谐波会造成电能损耗,对于电力变压器要减少或消除供电系统的高次谐波。
    3.4  负载率太低或太高低
    当负载太小时,变压器无功损耗加大,功率因数变差;当变压器过负荷运行时,会造成变压器过热,且有功损耗加大。一般情况下,电力变压器运行的负载在60~70%Se时处于理想状态,此时变压器损耗较小,运行费用较低。
    3.5  安装地点不够合理,供电半径较大
        按照运行规程及设计规程要求,配电变压器应设置在负荷中心,供电半径不大于500m,但实际运行中,有部分变压器供电半径接近或超过了500m,特别一些供水企业,一些水泵的供电线路最远的达到了1O00m以上,造成末端电压过低,设备启动困难。
    4 建设性措施
    4.1 合理选择变压器型号,加快高能耗变压器更新改造
    我国S7 系列变压器是20世纪80 年代后推出的,其空载损耗和短路损耗均较高。目前推广应用的是S11 系列变压器及非晶合金变压器、新一代干式变压器等低损耗变压器。目前全国在网运行的1980年以前生产的老式配电变压器仍有2.5 kVA,与S9 系列变压器相比,它们的损耗高出40%,全年多损耗电能近100 亿kW·h,从环保方面看,相当于7000多万桶原油产生的能量,每年向大气排放大量二氧化硫和二氧化碳。此外,由于这批变压器使用时间大都已超过20 年,绝缘层老化、维修不方便,事故隐患不断。因此,更换高损耗配变带来的节能效益是非常可观的,且有利于增强配网运行的可靠性。
    4.2 合理选择变压器容量及安装地点
    一般电力变压器的空载损耗和负载损耗之比大约在1/4~1/3之间,因此,当变压器负载率在50%~70%时,变压器的运行效率最高。故应根据配变所供负荷的特点,计算负荷变化的范围,在同时考虑技术和经济两因素的前提下,合理地配置变压器的容量及台数,这样既可减少基本电费,提高运行效率,又能降低变压器损耗。
    随着变压器制造技术的不断提高,其空载损耗和负载损耗都有大幅下降。但是,在变压器的发展过程中,空载损耗的下降速度远远超过负载损耗的下降速度,这是在磁性材料的制造技术方面进展较快的结果。随之而来的一个变化是,变压器的经济运行容量明显下降,以非晶合金变压器为例,其经济运行容量下降到了20%~30%,且随着变压器容量的增大,节能效率也逐步提高。因此,在工程选型时非晶合金变压器的容量宜大些。对于季节性负荷较强的地区,如果配变处于轻载的时间较长,其空载损耗将成为电能损耗的主要部分。因此,在这类地区宜采用非晶合金变压器。
    4.3 正确选择变压器安装位置
        变压器应尽量安装在负荷中心,或最大负荷点。依照《中国南方电网城市配电网技术导则》, 宜将供电半径控制在以下范围:A类供电区为150m,B类供电区为250m,C类供电区为400m,以确保末端电压达到规程要求。且配电布线宜呈网状结构,应尽量避免采用链状或树状结构。在工厂中,应将变压器室及低压配电中心就近设置在最大的动力设备附近。
    4.4 做好交接试验,把好入网关
        由于近几年材料价格上涨以及变压器生产厂商技术水平、生产工艺参差不齐,生产出来的新变压器性能参数不一定达到技术条件,主要表现为变压器空载损耗较大。该部分变压器的入网,必定增加损耗。供电部门在投运前一定要对变压器的参数进行全面检测。
    4.5 合理调整变压器运行方式
    4.5.1 合理调整变压器电压
    变压器的空载损耗和运行电压的平方成正比,负载损耗和运行电压的平方成反比。变压器在额定电压下运行,以其产生的损耗为基准,通过调整变压器分接开关,使其运行电压在1.07U~0.95U 范围内。 运行实践表明:当变压器处于轻载或空载运行,运行电压必然要升高,此时空载损耗占主导地位,因此必须通过调整分接开关,降低输入电压,这不仅可保证供电电压质量,而且还有利于降低空载损耗;反之,在供电高峰期变压器处于满载运行,其运行电压必然下降,此时负载损耗占主导地位。
    4.5.2 调整三相负荷平衡,建立负荷不平衡运行管理。
    不平衡电流的存在,不仅增加了变压器损耗,也增加了低压线路损耗,所以应建立不平衡度考核制度,高度重视不平衡度调整工作,应定期测量变压器三相负荷,及时调整负荷接入方式,力求变压器三相电流平衡。
    4.5.3  优化变压器运行
    由于变压器并联运行有很多优点,所以大型企业一般都有多台变压器同时运行。在运行中根据实际负荷大小安排变压器台数,合理分配负荷,将有效地降低企业的电能损耗和运行成本。对于低压侧存在联络关系的系统,只需通过操作低压开关即可实现运行方式的转换,相比之下,单纯新增或更换变压器不仅工作量大,而且经济性不高,甚至在较多情况下效果还不如低压侧联络的方式。在低压配变之间距离较近时,可在规划配变时增加低压侧联络线路,在同时考虑供电可靠性和经济性的情况下,选择合理线径的低压联络线,这种方式尤其适用于住宅小区供电。
    4.6  采用无功补偿提高功率因数
    配电变压器的效率不仅随着输送有功功率的变化而变化,还随着负荷功率因数的变化而变化,通常功率因数低时,变压器效率相应地也降低。对于变压器进行无功补偿,提高其功率因数,可以大大减少无功功率在变压器上的传输,从而减少变压器上的损耗。这种方法节效果显著,通常会在功率因数较低时采用。此外,无功功率补偿还可降低高压电网的线损,提高变压器的负载能力,并改善用户的电压质量。
    4.7  加强配变的管理
    在经济发达的城市,一个区供电局的配变规模可达数千台,这些配变的型号、容量和运行状态各不相同,在实际工作中应加强如下几个方面的管理:
    (1)开展配变资产清查工作,清理高能耗和运行时间长的残旧配变,并及时进行更换。
    (2)加强配变运行数据的管理,掌握配变负载率的发展趋势,整理出过载配变和即将过载的配变,制定相应的方案并做好设计,及时在配网规划中立项实施改造。
    (3)对于为解决重、过载而新增的配变,应合理设置其布点,在缓解配变重、过载的同时减小低压供电半径。
    5  我国节能配电变压器发展概述
    5.1  S7型变压器的出现
    变压器产品的创新开发以达到节能降耗的目的成为变压器行业发展的一个必然的趋势。八十年代,我国推广了第一代节能产品S7型变压器。
    5.2   S9型变压器的出现
    由于变压器制造技术的不断进步,新技术、新材料、新工艺的采用,沈阳变压器研究所于94年首先推出了10kV级新S9型变压器,节能效果显著,迅速得到行业内各厂家以及用。S9系列(1998年标准)被称为我国第二代低损耗节能变压器, S9与S7型产品相比,空载损耗平均下降10.25%,空载电流下37.7%,负载损耗平均降低22.4%,且结构合理外型美观。
    5.3  S11型变压器的出现
       2002年,沈阳变压器研究所进行了S11系列变压器设计,S11是既S9的改进产品,它的主要优点:一是S11型卷铁芯变压器的空载损耗比同容量的S9降低了25%~30%;二是机械强度高,安匝分布平衡,产品的抗短路能力好;三是是变压器取消了储油柜。该系列产品外形美观,体积小,是理想的免维护优质产品。电力部门于98年3月12日的发文,要求淘汰S7型变压器,改善S9型、推广S11型变压器。
    5.4  非晶合金变压器
       随着科技发展,各种新型变压器不断涌现,变压器铁芯材料不断更新,非晶合金以及其它新合金材料得到广泛使用;非非晶合金带材具有同向的软磁材料、损耗低(约为硅钢片的20%~30%)、电阻率高(约为硅钢片的3倍)、后继工艺处理方便、制造工艺环保的优点。但也有厚度薄、硬度大、退货后材料易碎等缺点。在2001年的11月上海工业博览会上首次出现了630KVA非晶合金铁心的干式变压器。非晶合金铁心变压器分为非晶合金三相配变变压器、非晶合金组合式变压器、非晶合金单相配变变压器、非晶合金地下室配变变压器、非晶合金地下室路灯变压器、非晶合金干式变压器。
    5.5 干式变压器的发展
    上个世纪五、六十年代在中国出现了B级绝缘的国外叫做《OVDT》的敞开、通风冷却干式变压器。
    70年代,上海和北京变压器厂相继开发出厚绝缘带石英粉填料的在真空状态浇注的环氧树脂包封干式变压器,但厚绝缘难以解决开裂问题,也发生了一些事故。
    正在人们对环氧树脂干式变压器技术产生怀疑时,顺德变压器厂成功地从德国引进不带石英填料的纯环氧树脂薄绝缘(1-3mm)技术,它的出现,使我国的干式变压器的技术得到迅速发展。
    在本世纪初,上海GE公司采用美国技术研究开发出H级绝缘的带填料的薄绝缘环氧树脂真空浇注干式变压器,这种变压器具有体积小、质量轻、防火防潮的优点。
    在20世纪70年代后期,上海ABB公司制造了无模成型的“雷神”型缠绕玻璃纤维丝加强树脂包封绕组的干式变压器,它具有机械强度高、阻燃性好、无模成型成本低的优点。
    因干式变具有防火、防爆、免维护,无污染,体积小的优点,近年来得到了大量应用。
    6  结束语。
    总之,变压器在节能降耗的方面,具有很大的节能潜力。应合理选用、配置、管理配电变压器。随着电力负荷的增长,配变的数量和容量也逐步增加,除了在工艺上采用新型节能材料、在规划运行时降低变压器损耗之外,还必须加强配变的管理,充分挖掘配变降损措施。
     参考文献
    [1]李关定.配电变压器节能浅析[J].上海节能,2009.11.
    [2]张笠.再谈配电变压器节能和容量优化[J].建筑电气,2010.01.
   

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