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摘要:变压器是电力系统中的重要设备,尽管运行效率较高,但由于容量和数量较大,变压器运行中的损耗难以避免,能占到线路总损耗的20%以上。通过对变压器运行中损耗分析研究,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, 以减少变压器运行自损耗,进一步提高效率,使电力系统的变压器达到最为经济良好的运行状态,是当前企业节约电能的重要措施。
关键词:变压器 负载 电气设备 功率损耗
中图分类号:TU855 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)29-565-01
1引言
变压器已广泛应用于国民经济的各个生产部门,变压器是电能的传输设备,可根据生产工艺升高或者降低交流电源电压,因此,在电力系统中承担了大量电能的输送和分配,变压器已广泛应用于工业生产的电气设备领域。变压器运行的过程中,其空载损耗与负载损耗始终存在并消耗掉一定的电能。变压器损耗主要包括空载损耗和负载损耗,变压器空载损耗与铁心硅钢片的材质及叠片方式有关,变压器负载损耗包括电阻损耗、杂散损耗。负载运行时,由于绕组内通过电流,将在导线及引线中产生直流电阻损耗,同时,由于漏磁场的存在,漏磁通将在线圈的导线中产生杂散损耗(包括导线的涡流损耗及不完全换位引起的环流损耗),及其他钢铁结构件中的杂散损耗。因此,如何降低变压器的空载、负载损耗,改善性能指标,提高运行效率来达到节能增效的目的为越来越多的变压器生产、使用厂家和单位所面对的课题。
2变压器的负载与损耗的关系
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。空载损耗,主要是铁损,包括磁滞损耗和涡流损耗;磁滞损耗与频率成正比;与最大磁通密度的磁滞系数的次方成正比。涡流损耗与频率、最大磁通密度、矽钢片的厚度三者的积成正比。在一定的负载下,变压器的有功功率损耗可用下式表示:
P=Pn+Pt (1)
式中 P——总的功率损耗;
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。它由磁滞损耗和涡流损耗组成。磁滞损耗与导磁材料成正比,且与磁通密度的二次方成正比;而涡流损耗与磁通密度的二次方、导磁材料厚度的二次方、频率的二次方和导磁材料的厚度成正比,降低空载损耗就要降低磁通密度,其结果导致导磁材料的重量增加。或者采用高导磁,低损耗的导磁材料,或者采用厚度更薄的导磁材料。其结果都导致变压器成本的增加,而过薄的硅钢片又使铁芯的平面度降低导致铁芯的机械强度降低。空载损耗与所带负载大小无关,只要一通电,就有空载损耗。
2)负载损耗,主要是负载电流通过绕组时在电阻上的损耗,一般称铜损。此损耗是指变压器一、二次线圈中电流在电阻上产生的铜损耗及励磁电流在励磁电阻上产生的损耗。当电流为额定电流时,后者很小,可忽略不计,故主要是电流在一、二次线圈电阻上的铜损。负载损耗与所带负载大小有关,变压器性能参数中的负载损耗是额定值,也就是流过额定电流时所产生的损耗。负载损耗即可变损失。负载损耗是额定电流下与参与温度下的负载损耗,变压器的负载损耗随其运行温度的升高而增加。在同一负载条件下,运行温度每升高10℃,负载损耗增加约3.93%(对于铜质绕组)或4.23%(对于铝质绕组)。这是因为负载损耗与绕组的电阻成正比,而绕组的电阻随着温度的升高而增加。对参考温度而言,要看变压器的绝缘材料的耐热等级。对油浸式变压器而言,不论是自冷、风冷或强油风冷,都有是A级绝缘材料,其参考温度是根据传统概念加以规定的,都是75℃。同时负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗,并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。
根据P=I2R,对三相变压器在任意负载时,铜损表达式
PCU = PCU1 + P CU2
=3(I12R1+I2′2 R2)
=3 I12 (R1+ R2′) (2)
式中I1——一次线圈的负载电流;
I2′——二次线圈折算到一次的电流;
R1——一次线圈的電阻;
R2′——二次线圈折算的一次电阻。
由上式可见,变压器的铜损和负载电流的平方成正比。考虑到负载运行时,负载电流的变化,故此损耗又称可变损耗。
3 降低变压器损耗可行性分析
为了降低变压器的损耗提高效率,当负载系数大时控制负载损耗(铜损)为有效,而负载系数小时则控制空载损耗(铁损)为有效。因此要根据负载情况采用最好的运行方式,比如控制变压器运行的台数、投入适当容量的变压器带负载、进行负载的调整等,使变压器处在高效率下运行。从理论上讲,增加变压器的铜的用量,可以减少铜损;提高铁心的质量,可以减少铁损。变压器的设计制造,既要考虑经济条件又要满足技术指标。减低损耗的主要途径有:
1) 选择合适的变压器容量
变压器传递功率过程中要产生损耗,通过前面分析主要是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。在确保变压器质量的基础上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5 0 % ~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)改进变压器结构设计
①改进铁心的结构,降低空载损耗。空载损耗虽然只占变压器总损耗的20%—30%,但它是固定损耗,在任何负载情况下都存在,对变压器的运行经济件很有影响,要降低空载损耗,就要采用性能良好的硅钢片,改进铁心结构和工艺。目前我国生产的低损耗变压器,在铁心结构上进行了较大的改进,铁心材料采用优质的冷轧硅钢片,铁心为全斜接缝无冲孔结构,从而减少了空载损耗。
②改进绝缘结构,降低负载损耗。负载损耗占变压器总损耗的70%—80%,数值较大,减小导线的电流密度和减少绕组的匝数,虽可降低负载损耗,但前者使导线重量增加,浪费材料,后者使铁心尺寸增大;因此,较好的办法是从改良绝缘结构、缩小绝缘体积着手来减小线圈的尺寸,以减小负载的损耗。绕组结构全面考虑了绝缘、散热和机械强度各方面的综合要求,圆筒式绕组层间和高低压间采用瓦楞纸板做油隙代替撑条,减小了绝缘尺寸和绕组尺寸,从而减少了负载损耗。
3)采用节能型无功补偿装置,实现无功补偿。
电网中的变压器电力负荷属于感性负荷,在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后,可以提供感性负载所消耗的无功功率,减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率,由于减少了无功功率在电网中的流动,因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗,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。功率因数越高变压器的利用率就越高,在输送相同功率的情况下,功率因数越高电流就越低,线损就越低,电压损失也越小。
结束语:变压器运行时间较长,损耗数目不容乐观,因此必须提高变压器经济运行,降低变压器损耗势在必行,应根据变压器技术特点及生产实际负荷需求,通过合理选择变压器,改善变压器相应结构,增加无功补偿装置,可有效提高变压器的使用效率,达到节能减排的目的。
参考文献:
[1]屈文斌.变压器空载损耗中的涡流损耗和磁滞损耗研究[J].中国新技术新产品,2010(03).
[2]徐海宁.电力变压器漏磁场及箱体涡流损耗的分析[D].哈尔滨理工大学,2011.
[3]梁方建,刘勋,张回力.如何降低变压器的负载损耗[J].煤炭技术,2011(07).
关键词:变压器 负载 电气设备 功率损耗
中图分类号:TU855 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)29-565-01
1引言
变压器已广泛应用于国民经济的各个生产部门,变压器是电能的传输设备,可根据生产工艺升高或者降低交流电源电压,因此,在电力系统中承担了大量电能的输送和分配,变压器已广泛应用于工业生产的电气设备领域。变压器运行的过程中,其空载损耗与负载损耗始终存在并消耗掉一定的电能。变压器损耗主要包括空载损耗和负载损耗,变压器空载损耗与铁心硅钢片的材质及叠片方式有关,变压器负载损耗包括电阻损耗、杂散损耗。负载运行时,由于绕组内通过电流,将在导线及引线中产生直流电阻损耗,同时,由于漏磁场的存在,漏磁通将在线圈的导线中产生杂散损耗(包括导线的涡流损耗及不完全换位引起的环流损耗),及其他钢铁结构件中的杂散损耗。因此,如何降低变压器的空载、负载损耗,改善性能指标,提高运行效率来达到节能增效的目的为越来越多的变压器生产、使用厂家和单位所面对的课题。
2变压器的负载与损耗的关系
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。空载损耗,主要是铁损,包括磁滞损耗和涡流损耗;磁滞损耗与频率成正比;与最大磁通密度的磁滞系数的次方成正比。涡流损耗与频率、最大磁通密度、矽钢片的厚度三者的积成正比。在一定的负载下,变压器的有功功率损耗可用下式表示:
P=Pn+Pt (1)
式中 P——总的功率损耗;
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。它由磁滞损耗和涡流损耗组成。磁滞损耗与导磁材料成正比,且与磁通密度的二次方成正比;而涡流损耗与磁通密度的二次方、导磁材料厚度的二次方、频率的二次方和导磁材料的厚度成正比,降低空载损耗就要降低磁通密度,其结果导致导磁材料的重量增加。或者采用高导磁,低损耗的导磁材料,或者采用厚度更薄的导磁材料。其结果都导致变压器成本的增加,而过薄的硅钢片又使铁芯的平面度降低导致铁芯的机械强度降低。空载损耗与所带负载大小无关,只要一通电,就有空载损耗。
2)负载损耗,主要是负载电流通过绕组时在电阻上的损耗,一般称铜损。此损耗是指变压器一、二次线圈中电流在电阻上产生的铜损耗及励磁电流在励磁电阻上产生的损耗。当电流为额定电流时,后者很小,可忽略不计,故主要是电流在一、二次线圈电阻上的铜损。负载损耗与所带负载大小有关,变压器性能参数中的负载损耗是额定值,也就是流过额定电流时所产生的损耗。负载损耗即可变损失。负载损耗是额定电流下与参与温度下的负载损耗,变压器的负载损耗随其运行温度的升高而增加。在同一负载条件下,运行温度每升高10℃,负载损耗增加约3.93%(对于铜质绕组)或4.23%(对于铝质绕组)。这是因为负载损耗与绕组的电阻成正比,而绕组的电阻随着温度的升高而增加。对参考温度而言,要看变压器的绝缘材料的耐热等级。对油浸式变压器而言,不论是自冷、风冷或强油风冷,都有是A级绝缘材料,其参考温度是根据传统概念加以规定的,都是75℃。同时负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗,并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。
根据P=I2R,对三相变压器在任意负载时,铜损表达式
PCU = PCU1 + P CU2
=3(I12R1+I2′2 R2)
=3 I12 (R1+ R2′) (2)
式中I1——一次线圈的负载电流;
I2′——二次线圈折算到一次的电流;
R1——一次线圈的電阻;
R2′——二次线圈折算的一次电阻。
由上式可见,变压器的铜损和负载电流的平方成正比。考虑到负载运行时,负载电流的变化,故此损耗又称可变损耗。
3 降低变压器损耗可行性分析
为了降低变压器的损耗提高效率,当负载系数大时控制负载损耗(铜损)为有效,而负载系数小时则控制空载损耗(铁损)为有效。因此要根据负载情况采用最好的运行方式,比如控制变压器运行的台数、投入适当容量的变压器带负载、进行负载的调整等,使变压器处在高效率下运行。从理论上讲,增加变压器的铜的用量,可以减少铜损;提高铁心的质量,可以减少铁损。变压器的设计制造,既要考虑经济条件又要满足技术指标。减低损耗的主要途径有:
1) 选择合适的变压器容量
变压器传递功率过程中要产生损耗,通过前面分析主要是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。在确保变压器质量的基础上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5 0 % ~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)改进变压器结构设计
①改进铁心的结构,降低空载损耗。空载损耗虽然只占变压器总损耗的20%—30%,但它是固定损耗,在任何负载情况下都存在,对变压器的运行经济件很有影响,要降低空载损耗,就要采用性能良好的硅钢片,改进铁心结构和工艺。目前我国生产的低损耗变压器,在铁心结构上进行了较大的改进,铁心材料采用优质的冷轧硅钢片,铁心为全斜接缝无冲孔结构,从而减少了空载损耗。
②改进绝缘结构,降低负载损耗。负载损耗占变压器总损耗的70%—80%,数值较大,减小导线的电流密度和减少绕组的匝数,虽可降低负载损耗,但前者使导线重量增加,浪费材料,后者使铁心尺寸增大;因此,较好的办法是从改良绝缘结构、缩小绝缘体积着手来减小线圈的尺寸,以减小负载的损耗。绕组结构全面考虑了绝缘、散热和机械强度各方面的综合要求,圆筒式绕组层间和高低压间采用瓦楞纸板做油隙代替撑条,减小了绝缘尺寸和绕组尺寸,从而减少了负载损耗。
3)采用节能型无功补偿装置,实现无功补偿。
电网中的变压器电力负荷属于感性负荷,在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后,可以提供感性负载所消耗的无功功率,减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率,由于减少了无功功率在电网中的流动,因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗,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。功率因数越高变压器的利用率就越高,在输送相同功率的情况下,功率因数越高电流就越低,线损就越低,电压损失也越小。
结束语:变压器运行时间较长,损耗数目不容乐观,因此必须提高变压器经济运行,降低变压器损耗势在必行,应根据变压器技术特点及生产实际负荷需求,通过合理选择变压器,改善变压器相应结构,增加无功补偿装置,可有效提高变压器的使用效率,达到节能减排的目的。
参考文献:
[1]屈文斌.变压器空载损耗中的涡流损耗和磁滞损耗研究[J].中国新技术新产品,2010(03).
[2]徐海宁.电力变压器漏磁场及箱体涡流损耗的分析[D].哈尔滨理工大学,2011.
[3]梁方建,刘勋,张回力.如何降低变压器的负载损耗[J].煤炭技术,2011(07).