DQZHAN訊：低壓配電變壓器節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究
變壓器是配電網(wǎng)中不同電壓等級(jí)電能間相互轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，在電能生產(chǎn)、輸送、調(diào)度分配等過程中起到非常重要的作用。變壓器在電力系統(tǒng)中的使用數(shù)量極其廣泛，從發(fā)電、輸電、配電及用電各環(huán)節(jié)構(gòu)成的電力系統(tǒng)來(lái)看，電能從發(fā)電廠輸出到用戶使用一般需要3～5次的變壓過程。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，運(yùn)行變壓器的容量通常是發(fā)電容量的4～7倍，是運(yùn)行電機(jī)容量的5～8倍，這就決定了變壓器必須是一個(gè)高效能的設(shè)備。盡管如此，但因其數(shù)量多，容量大，所以在廣義電力系統(tǒng)運(yùn)行中，變壓器總的電能損耗約占發(fā)電量的10%。這對(duì)國(guó)內(nèi)而言，意味著全年變壓器總的電能損耗為1000多億kWh，這相當(dāng)于一個(gè)較大電力系統(tǒng)的發(fā)電量。變壓器損耗約占電力系統(tǒng)線損的50%，在農(nóng)電系統(tǒng)中變壓器損耗占農(nóng)電網(wǎng)中損耗的60%～70%。因此，開展配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低變壓器損耗，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，是節(jié)約電能的重要手段。
1.現(xiàn)狀研究
1.1變壓器的研究與應(yīng)用
變壓器在電力系統(tǒng)中的使用數(shù)量極其廣泛，并且其造成的電能損耗約占發(fā)電量的10%，因此，開展變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，采用新型節(jié)能型變壓器，降低變壓器損耗，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)和節(jié)約電能的重要手段之一。為了降低變壓器損耗，提高變壓器的運(yùn)行可靠性，各國(guó)都深入研究變壓器的電磁原理，利用變壓器容量與損耗之間的關(guān)系，變壓器與運(yùn)行成本之間的關(guān)系，試圖推導(dǎo)出特種變壓器的基本電磁關(guān)系。在國(guó)外，日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞士等國(guó)家相繼采用IEC76標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變壓器進(jìn)行細(xì)分。挪威電力研究中心O.W.Andersen利用有限元法開發(fā)的變壓器漏磁場(chǎng)分析軟件，能夠準(zhǔn)確計(jì)算短路阻抗、渦流損耗和短路機(jī)械力。美國(guó)非晶合金在配電變壓器中的應(yīng)用情況，美國(guó)是世界上*早開發(fā)非晶合金材料和非晶變壓器的國(guó)家，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2000年美國(guó)非晶合金配電變壓器已占配電變壓器總數(shù)的20%左右。非晶合金配電變壓器在美國(guó)具有美好的情景，美國(guó)能源部(DOE)宣布，油浸式、中壓干式以及低壓干式配電變壓器協(xié)商規(guī)則制定工作小組在2011年10月12日至14日召開公開會(huì)議，將根據(jù)《能源政策節(jié)約法案》，討論并制定配電變壓器的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。
1.2我國(guó)變壓器發(fā)展階段
我國(guó)變壓器的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段，國(guó)家在節(jié)能方面的重視從未發(fā)生過改變。20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)政府強(qiáng)制性地采用S7系列低損耗配電變壓器在國(guó)內(nèi)范圍內(nèi)淘汰正在電網(wǎng)運(yùn)行的JB1300?73和JB500?64標(biāo)準(zhǔn)的高能耗變壓器。從1998年開始，我國(guó)政府又不惜代價(jià)地在國(guó)內(nèi)推行兩網(wǎng)改造，用S9系列配電變壓器取代S7系列。與S9一樣，作為第七代節(jié)能產(chǎn)品的還有非晶合金變壓器、卷鐵芯變壓切、全密封變壓器等。但這先后兩次國(guó)內(nèi)大規(guī)模的更新?lián)Q代，新產(chǎn)品僅比老產(chǎn)品降低空載損耗8%～15%。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了比S9系列更節(jié)能的產(chǎn)品，如S10，S11系列等。同時(shí)，國(guó)內(nèi)在節(jié)能型變壓器相關(guān)方面也取得了不少有價(jià)值的理論和實(shí)驗(yàn)成果。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)配電變壓器無(wú)功功率的節(jié)能做了探討，并進(jìn)行可行性分析，提出從提高負(fù)載功率因數(shù)降低變壓器無(wú)功功率消耗節(jié)能是一種不增加投資或少量投資而受益顯著的有效方法，并通過分析了變壓器運(yùn)行效率曲線，探討了變壓器的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載區(qū)*佳運(yùn)行方式，并指出擇優(yōu)選取*佳運(yùn)行方式和按變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件來(lái)調(diào)整負(fù)載，在供電量相同時(shí)，能降低變壓器損耗，同時(shí)以變壓器綜合功率損耗*小，對(duì)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間和*佳運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行了分析，以及對(duì)多臺(tái)配電變壓器并列運(yùn)行時(shí)，負(fù)載的經(jīng)濟(jì)分配進(jìn)行了分析等研究成果。這些主要技術(shù)措施，從而有效地提高配電變壓器綜合利用效率水平。
2.節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)
2.1變壓器材料
節(jié)能型變壓器對(duì)損耗的降低主要是通過導(dǎo)磁材料(硅鋼片)和導(dǎo)電材料(無(wú)氧銅導(dǎo)線或銅箔)技術(shù)的發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)主要是薄硅鋼片的改進(jìn)與發(fā)展。另外非晶材料的發(fā)展也促進(jìn)了變壓器的發(fā)展。自20世紀(jì)80年代非晶合金鐵心商業(yè)化以來(lái)，已經(jīng)有幾十萬(wàn)臺(tái)非晶合金配電變壓器在世界各地應(yīng)用。非晶合金配電變壓器的鐵芯是由厚度為普通硅鋼片[110]的非晶合金材料制成，這種非晶合金材料具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高電阻率、低鐵損的特點(diǎn)。因此，非晶合金配電變壓器比硅鋼片配電變壓器空負(fù)荷損耗將降低70%～80%、空載電流可下降80%左右，在節(jié)電降耗方面具有**的優(yōu)勢(shì)，但是這種依靠改進(jìn)材質(zhì)來(lái)降低變壓器損耗的方式受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展程度的制約，而且價(jià)格偏高導(dǎo)致市場(chǎng)推廣度不高。
相比而言，非晶合金鐵心變壓器具有無(wú)噪音，低損耗的特點(diǎn)，其空載損耗為普通產(chǎn)品的20%，且非晶變壓器還有其他優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)完全密封、不需維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低。現(xiàn)階段，S11節(jié)能變壓器系列是在市面廣泛推廣的節(jié)能變壓器，與上一代S9系列產(chǎn)品比較參數(shù)可得，S11空載損耗比S9系列低75%左右，負(fù)載損耗則與S9系列基本相同。
2.2變壓器節(jié)能運(yùn)行
從大量實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，當(dāng)配電變壓器運(yùn)行過電壓水平達(dá)到5%時(shí)，其內(nèi)部鐵損將會(huì)增加15%，而當(dāng)變壓器過電壓水平達(dá)到10%運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部鐵損則會(huì)增加高達(dá)50%以上，且變壓器空載電流也會(huì)大幅度提升，從而增加配電網(wǎng)的無(wú)功損耗總量。所以，配電變壓器在實(shí)際運(yùn)行過程中，通過相應(yīng)設(shè)備控制避免其出現(xiàn)過電壓運(yùn)行工況，一方面可以延長(zhǎng)變壓器使用壽命，另一方面可以降低變壓器內(nèi)部鐵損和激磁損耗，保證其高效穩(wěn)定運(yùn)行。自動(dòng)調(diào)壓器是一種可以自動(dòng)跟蹤配電網(wǎng)輸入電壓變化(主要由負(fù)載波動(dòng)引起)，而保證電壓恒定輸出的三相自耦變壓器，它可以在配電網(wǎng)處于20%波動(dòng)范圍內(nèi)，對(duì)輸入電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
正常情況下，如果客戶提供單一的設(shè)備容量也不算大，選擇一個(gè)以上的變壓器，可經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并能提高供電可靠性。當(dāng)變電站配有兩個(gè)或兩個(gè)以上的變壓器，變電站的負(fù)載的變化導(dǎo)致變電站通常需要進(jìn)行投入或切除的變壓器的操作。滿足負(fù)荷的電力變壓器，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，所謂的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，即是變壓器的功率損失*小的操作模式，其功率損耗*低，運(yùn)營(yíng)成本*低。在可滿足負(fù)荷要求的情況下，可要求暫停使用一個(gè)變壓器，用以減少維持變壓器運(yùn)行的費(fèi)用。
當(dāng)變電站有兩臺(tái)以上不同類型不同容量的變壓器，同理可作出在各種運(yùn)行曲線下變壓器的有功損耗，并根據(jù)在不同負(fù)載的有功功率損耗*低的原則，確定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行變壓器的方式。
配電變壓器三相負(fù)荷不平衡也是其產(chǎn)生巨大能耗的主要原因，當(dāng)配電變壓器處于三相平衡負(fù)荷運(yùn)行工況條件下，其負(fù)載損耗*小;而當(dāng)變壓器處于三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行工況下，其總能耗為三相損耗的總和，尤其當(dāng)變壓器運(yùn)行在*大三相不平衡狀態(tài)下，其系統(tǒng)損耗就是平衡負(fù)荷時(shí)損耗的3倍。配電變壓器處于三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行工況條件下，不僅會(huì)增加自身能耗，同時(shí)還會(huì)增加一次高壓側(cè)線路損耗，據(jù)大量實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，配電變壓器處于*大不平衡運(yùn)行工況時(shí)，其高壓線路的電能損耗會(huì)增加12.5%。
3.結(jié)語(yǔ)
開展分析配電變壓器各種損耗的產(chǎn)生機(jī)理以及降低損耗的方法，對(duì)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，采用信息融合方法分析出系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間和*佳運(yùn)行區(qū)間，來(lái)優(yōu)化控制無(wú)觸點(diǎn)自動(dòng)調(diào)壓器和三相負(fù)載平衡，這將有助于配電變壓器節(jié)能降耗技術(shù)，推進(jìn)節(jié)能型變壓器實(shí)用化進(jìn)程，在理論和實(shí)踐中均有重要的研究?jī)r(jià)值。
