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摘 要 变压器作为输配电系统的广泛应用的电压交换设备，节能潜力巨大，本文通过分析变压器的有功功率和无功功率损耗类型及产生原因，结合实际负荷情况及现场情况，选择合理的变压器型号、容量及运行方式，针对其空载损耗和负载损耗分别提出了降损节能的具体措施，提出了综合节能降耗方法，减少变压器的有功及无功功率损耗，实现变压器的节能降耗及稳定运行提出了建议。
关键词 变压器；有功损耗；无功损耗；负载率；功率因数；运行浅析
中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-085-02
变压器是输电和配电的主要电设备之一，作为电压变换的主要设备发挥的关键性的作用，特别是在电力被广泛应用到工农业生产和日常生活中，变压器的用途极为广泛，其作用也是显而易见的。在节能减排，倡导厉行节约的新形势下，研究和探讨变压器在变换电压及传递功率的过程中经济运行状况，有着特别的现实意义和深远的历史意义。这是因为变压器效率虽然很高，但因为在工农业生产和生活中应用的数量多，变压器的容量大，且都是长年累月的从不间断的运行，其自身产生的有功功率损耗和无功功率损耗，其总损耗量合计在一起是一个不容忽视的数字。我们知道，变压器的有功功率和无功功率损耗与变压器的技术特性有着密切的关系，变压器的技术特性的一些指标直接关系到变压器的有功功率和无功功率损耗总量，同时又随着负载的变化而产生非线性的变化，变压器的这种损耗占电网中的线损总量的部分比例，尤其在变压器轻负荷运行时这种损耗更大。据统计，变压器的损耗在中低压电网线损中约占20%～30%；据初步估算，我国变压器每年的总损耗约占电力系统总发电量的10%左右，如果采取有效措施，调整和优化配置变压器，把这种变压器的损耗每降低1%，仅变压器节能节电就可节约上百亿度，因此，研究和探讨变压器的运行状况，对于电力能源的节约有着特别重大的意义。在此，笔者运用变压器的经济运行原理，分析推论变压器的相关技术参数，通过调整变压器的经济运行模式，合理地选择运行方式，依据相关理论和参数进行科学核算，优化配置，力争减少不必要的损耗和浪费，努力提高变压器的配置方案与运行方式。
1 变压器的有功功率和无功功率损耗
根据变压器的工作原理，我们知道，变压器在运行工作时，本身会产生有功功率损耗和无功功率损耗。变压器是有导线和铁芯组成的，在运行时导线产生热、铁芯导磁时产生涡流放出热量，以热能形式放出的都称为有功损耗，磁滞的意思就是有剩磁没有全部转化成副线圈的电而产生的热量损耗。变压器工作时，由于铁芯的涡流、导线的电阻产生的发热性损耗就是有功损耗。由于电压与电流不同相位产生的功率损耗称为无功损耗。有功损耗会导致电能流失，无功损耗会导致变压器效率降低。变压器的有功损耗分为：有功不变损耗（铁损）和有功可变损耗（铜损）。变压器的无功损耗也是分为：无功不变损耗和无功可变损耗二部分。有功损耗大约等于额定铜损与视在电流（负荷电流）和额定电流的平方比的乘积。即：有功可变损耗=额定铜损×（负荷电流/额定电流）的平方。无功可变损耗大约等于额定短路电压百分数与额定容量和（负荷电流）与额定电流的平方比的乘积。即：无功可变损耗=额定短路电压百分数×额定容量×（负荷电流/额定电流）的平方。
变压器在运行中的功率总损耗等于变压器有功功率损耗加上因其消耗的无功功率使电网增加的有功功率损耗的总和。所以，我们在配置电力系统变压器时，要综合考虑变压器的最佳节电方案，既要考虑降低有功损耗，又要考虑降低无功损耗，实现电力配置的综合最佳效益。
一般的说，变压器综合功率损耗PZ计算式为：
空载损耗P0z是只与变压器铁芯相关的常量有关，它不随变压器负载的变化而变化。而负载损耗PKZ则为变压器绕组中的铜线圈电流损耗，与负载率平方成正比或者说与负载电流的四次方成正比，负载电流越大，有功损耗也越大，空载时的有功损耗最小；负载电流越大，有功损耗与无功损耗也越大。所以说，变压器的功率损耗主要与负荷变化影响的铜耗有直接的关系。
2 采取有效措施降低变压器损耗
2.1 减少变压器空载损耗
2.1.1 选择节能型配电变压器
在大力提倡节能减排，创建节约型社会的新形势下，选择节能型配电变压器是减少变压器空载损耗的有效措施之一。应选择节能型S11系列和非晶体合金配电变压器，彻底淘汰64、73及S7系列等功耗高的变压器。随着新材料和新产品的不断研发，节能型变压器铁芯的硅钢片、铁芯的制造技术实现了突破性的改进，有效降低了变压器空载功率的损耗。如变压器的铁芯材料现在普遍使用的非晶态磁性材料2605S2等节能材料，使得非晶合金铁芯变压器的铁损仅为普通硅钢变压器的20%，大大降低了变压器的空载损耗。
2.1.2 合理选择变压器容量
合理配置选择变压器的容量，不仅有效降低“大马拉小车”的状况带来的空载高损耗，也避免“小马拉大车”致使变压器超载、重载从而影响变压器负载损耗增加的现象，同时“小马拉大车”也为配电线路的安全性带来隐患。因此，要根据用电系统最大负荷量来选配合适容量的变压器，使得变压器容量配置既合理高效正常运转而又减低功率损耗。也可以根据用电系统线路负荷的实际运行情况，合理选择两台小容量变压器，如在用电高峰时全部投运，而在负荷较低时配置“开一备一”模式。
2.2 减少变压器负载损耗
2.2.1 提高变压器负载率
衡量变压器是否节能，一般来说，要看变压器利用率，变压器利用率50%-70%的，我们称之为最佳负荷率，用βm表示。我们如果按照这个标准来计算变压器容量，势必会客观的虚算了变压器的容量，还会造成购置变压器的资金浪费。这就要求我们另外引入变压器的年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj来计算变压器容量，并利用βj=（PoZTb/PKZτ）1/2=（Tb/τ）1/2* βm来分析计算变压器的容量选择。 Tb表示变压器年投运时间，一般选择7500 h；
τ表示年最大负荷损耗时间，可由年最大负荷利用时数Tm查Tm-τ关系曲线来确定。一般要根据负荷的性质2300 h-4500 h之间来定。因此，通过计算得出βj=（1.3-1.8）βm。
但是，对于高层建筑中二班制运行特点的配电变压器，按βj的正常计算出的容量还是偏大，同样还是加重了用户的购置设备投资。在这种情形下，为了既给用户节省购置设备投资，又能把电功损耗降低到最低。我们可以选择经济负荷率βjj=（1～1.3）βj。
鉴于以上的分析和测算，我们在选择变压器容量时，不妨按变压器的负载率为75%～85%来测算。这样，既为用电客户节省设备购置费等开支，又适当的使变压器留有一定的负荷预留容量。
2.2.2 优化配置变压器的运行模式
2台符合并联运行条件的变压器1#和2#，当1台和2台变压器运行的有效功率损耗相等时，其总负荷称经济并联负荷Sj，相应的负荷系数称临界负荷系数βj，Sj和βj的确定如下：
从图1可知，实际负荷S>Sj时，并联运行是经济运行；S 2.2.3 提高配电网的功率因数
提高变压器功率因数而降低有功功率损耗（%）一般按下公式计算：
当功率因数降分别从0.60～0.90提高到0.95时，降低有功功率损耗见下表。
因此，应在配电网中装设无功补偿设备，监视系统的无功潮流，减少无功电能输送，尽量使无功就地平衡，确保设备可投运率达95%及以上，减少供电线路中的有功功率和电能损耗，并降低线路中的电压损失与电压波动，以达到节约电能和提高供电质量的目的。
2.2.4 优化配电网布局
优化网络结构是优化配电网布局的主要措施。优化网络结构首先要从降损节能的目标来实施，要合理控制供电半径和最长电气距离，供电半径的选择，主要是按电压降的指标来定。在配电网布局规划设计时，要克服短期行为的认识，从长计议，预先考虑远期负荷增长的需要，如新增用电负荷的可能。一般情况下，使变压器靠近负荷中心，线路由电源向周围辐射，缩短供电半径：10 kV线路供电半径≤15 km；低压线路供电半径≤0.5 km。同时尽量保证三相变压器负荷平衡，减少负序电压损耗。同时，要充分考虑配电主干线路的电能损耗问题，把降低配电主干线路的电能损耗降低到最低值，在现有的条件和可能的情况下，增大导线截面，提前分流，转移负荷等方法，以减少配电主干线路的电压降，从而提高配电网末端的电压质量。
采取新型节能型变压器也是优化配电网布局的主要措施之一。为提高供电可靠性，实现节能降耗的经济运行模式，建议选择节能型变压器。节能型变压器种类很多，如有叠铁心、卷铁心和非晶合金铁心等几种类型。卷铁心配电变压器其优点降低变压器空载损耗约10%-25%，依变压器容量而变，有效降低空载电流，从而实现节能降耗。近年来在我国逐渐推广，特别是在国家电网二期农网改造中使用极为普遍。单相配电变压器（D10型）变压器便于安装并靠近负荷中心，与同容量三相变压器相比，空载损耗和负载损耗都小，应用极为广泛。非晶合金配电变压器和干式配电变压器等各有各的优点和不足。变压器的选用要考虑的因素很多，要根据用电负荷、用电场地等客观条件科学选配安装。要坚持因地制宜，好中选优，量力而行的原则。尤其是要抓住农网建设与改造的契机，坚持科学规划、合理淘汰高耗能变压器，不断提高用电质量。
3 结束语
综上所述，开展变压器经济运行范围广，节电方式很多，对于变压器的经济运行模式，要因地制宜，结合实际负荷情况及现场情况，充分利用现有的设备条件，要对现有的变压器技术参数进行严密的计算分析，选取最佳技术参数的变压器，选择合理的变压器型号、容量及运行方式，运用综合节能降耗方法，减少变压器的有功及无功功率损耗，实现变压器的节能降耗及稳定运行，从而实现变压器的经济运行。
参考文献
[1]周绍清.浅谈变压器现有的技术参数的调整[J].四川电力大学学报自然科学版），2011（02）：59.
[2]朱明先.在配电网中装设无功补偿设备的探索[J].云南电力科技，2010（04）：35-36.
[3]沈丽君.如何降低变压器电能损耗[J].中国电业，2009（11）：12-16.
[4]苏佩颜.实现变压器的节能降耗及稳定运行探究[J].云南电力，2009（06）：98-100.
[5]武汉港.试论变压器节约电能和提高供电质量[J].北京电力大学学报自然科学版），2011（02）：59.
[6]张明楷.在配电网中装设无功补偿设备的探索[J].创新科技，2011（12）：39-40.
[7]刘和刚.浅谈变压器综合节能降耗方法[J].中国科教创新导刊，2010（09）：98-99.
[8]康洪涛.变压器的有功损耗和负荷的关系探究[J].河北电力，2012（06）：56-58.
关键词 变压器；有功损耗；无功损耗；负载率；功率因数；运行浅析
中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-085-02
变压器是输电和配电的主要电设备之一，作为电压变换的主要设备发挥的关键性的作用，特别是在电力被广泛应用到工农业生产和日常生活中，变压器的用途极为广泛，其作用也是显而易见的。在节能减排，倡导厉行节约的新形势下，研究和探讨变压器在变换电压及传递功率的过程中经济运行状况，有着特别的现实意义和深远的历史意义。这是因为变压器效率虽然很高，但因为在工农业生产和生活中应用的数量多，变压器的容量大，且都是长年累月的从不间断的运行，其自身产生的有功功率损耗和无功功率损耗，其总损耗量合计在一起是一个不容忽视的数字。我们知道，变压器的有功功率和无功功率损耗与变压器的技术特性有着密切的关系，变压器的技术特性的一些指标直接关系到变压器的有功功率和无功功率损耗总量，同时又随着负载的变化而产生非线性的变化，变压器的这种损耗占电网中的线损总量的部分比例，尤其在变压器轻负荷运行时这种损耗更大。据统计，变压器的损耗在中低压电网线损中约占20%～30%；据初步估算，我国变压器每年的总损耗约占电力系统总发电量的10%左右，如果采取有效措施，调整和优化配置变压器，把这种变压器的损耗每降低1%，仅变压器节能节电就可节约上百亿度，因此，研究和探讨变压器的运行状况，对于电力能源的节约有着特别重大的意义。在此，笔者运用变压器的经济运行原理，分析推论变压器的相关技术参数，通过调整变压器的经济运行模式，合理地选择运行方式，依据相关理论和参数进行科学核算，优化配置，力争减少不必要的损耗和浪费，努力提高变压器的配置方案与运行方式。
1 变压器的有功功率和无功功率损耗
根据变压器的工作原理，我们知道，变压器在运行工作时，本身会产生有功功率损耗和无功功率损耗。变压器是有导线和铁芯组成的，在运行时导线产生热、铁芯导磁时产生涡流放出热量，以热能形式放出的都称为有功损耗，磁滞的意思就是有剩磁没有全部转化成副线圈的电而产生的热量损耗。变压器工作时，由于铁芯的涡流、导线的电阻产生的发热性损耗就是有功损耗。由于电压与电流不同相位产生的功率损耗称为无功损耗。有功损耗会导致电能流失，无功损耗会导致变压器效率降低。变压器的有功损耗分为：有功不变损耗（铁损）和有功可变损耗（铜损）。变压器的无功损耗也是分为：无功不变损耗和无功可变损耗二部分。有功损耗大约等于额定铜损与视在电流（负荷电流）和额定电流的平方比的乘积。即：有功可变损耗=额定铜损×（负荷电流/额定电流）的平方。无功可变损耗大约等于额定短路电压百分数与额定容量和（负荷电流）与额定电流的平方比的乘积。即：无功可变损耗=额定短路电压百分数×额定容量×（负荷电流/额定电流）的平方。
变压器在运行中的功率总损耗等于变压器有功功率损耗加上因其消耗的无功功率使电网增加的有功功率损耗的总和。所以，我们在配置电力系统变压器时，要综合考虑变压器的最佳节电方案，既要考虑降低有功损耗，又要考虑降低无功损耗，实现电力配置的综合最佳效益。
一般的说，变压器综合功率损耗PZ计算式为：
空载损耗P0z是只与变压器铁芯相关的常量有关，它不随变压器负载的变化而变化。而负载损耗PKZ则为变压器绕组中的铜线圈电流损耗，与负载率平方成正比或者说与负载电流的四次方成正比，负载电流越大，有功损耗也越大，空载时的有功损耗最小；负载电流越大，有功损耗与无功损耗也越大。所以说，变压器的功率损耗主要与负荷变化影响的铜耗有直接的关系。
2 采取有效措施降低变压器损耗
2.1 减少变压器空载损耗
2.1.1 选择节能型配电变压器
在大力提倡节能减排，创建节约型社会的新形势下，选择节能型配电变压器是减少变压器空载损耗的有效措施之一。应选择节能型S11系列和非晶体合金配电变压器，彻底淘汰64、73及S7系列等功耗高的变压器。随着新材料和新产品的不断研发，节能型变压器铁芯的硅钢片、铁芯的制造技术实现了突破性的改进，有效降低了变压器空载功率的损耗。如变压器的铁芯材料现在普遍使用的非晶态磁性材料2605S2等节能材料，使得非晶合金铁芯变压器的铁损仅为普通硅钢变压器的20%，大大降低了变压器的空载损耗。
2.1.2 合理选择变压器容量
合理配置选择变压器的容量，不仅有效降低“大马拉小车”的状况带来的空载高损耗，也避免“小马拉大车”致使变压器超载、重载从而影响变压器负载损耗增加的现象，同时“小马拉大车”也为配电线路的安全性带来隐患。因此，要根据用电系统最大负荷量来选配合适容量的变压器，使得变压器容量配置既合理高效正常运转而又减低功率损耗。也可以根据用电系统线路负荷的实际运行情况，合理选择两台小容量变压器，如在用电高峰时全部投运，而在负荷较低时配置“开一备一”模式。
2.2 减少变压器负载损耗
2.2.1 提高变压器负载率
衡量变压器是否节能，一般来说，要看变压器利用率，变压器利用率50%-70%的，我们称之为最佳负荷率，用βm表示。我们如果按照这个标准来计算变压器容量，势必会客观的虚算了变压器的容量，还会造成购置变压器的资金浪费。这就要求我们另外引入变压器的年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj来计算变压器容量，并利用βj=（PoZTb/PKZτ）1/2=（Tb/τ）1/2* βm来分析计算变压器的容量选择。 Tb表示变压器年投运时间，一般选择7500 h；
τ表示年最大负荷损耗时间，可由年最大负荷利用时数Tm查Tm-τ关系曲线来确定。一般要根据负荷的性质2300 h-4500 h之间来定。因此，通过计算得出βj=（1.3-1.8）βm。
但是，对于高层建筑中二班制运行特点的配电变压器，按βj的正常计算出的容量还是偏大，同样还是加重了用户的购置设备投资。在这种情形下，为了既给用户节省购置设备投资，又能把电功损耗降低到最低。我们可以选择经济负荷率βjj=（1～1.3）βj。
鉴于以上的分析和测算，我们在选择变压器容量时，不妨按变压器的负载率为75%～85%来测算。这样，既为用电客户节省设备购置费等开支，又适当的使变压器留有一定的负荷预留容量。
2.2.2 优化配置变压器的运行模式
2台符合并联运行条件的变压器1#和2#，当1台和2台变压器运行的有效功率损耗相等时，其总负荷称经济并联负荷Sj，相应的负荷系数称临界负荷系数βj，Sj和βj的确定如下：
从图1可知，实际负荷S>Sj时，并联运行是经济运行；S
提高变压器功率因数而降低有功功率损耗（%）一般按下公式计算：
当功率因数降分别从0.60～0.90提高到0.95时，降低有功功率损耗见下表。
因此，应在配电网中装设无功补偿设备，监视系统的无功潮流，减少无功电能输送，尽量使无功就地平衡，确保设备可投运率达95%及以上，减少供电线路中的有功功率和电能损耗，并降低线路中的电压损失与电压波动，以达到节约电能和提高供电质量的目的。
2.2.4 优化配电网布局
优化网络结构是优化配电网布局的主要措施。优化网络结构首先要从降损节能的目标来实施，要合理控制供电半径和最长电气距离，供电半径的选择，主要是按电压降的指标来定。在配电网布局规划设计时，要克服短期行为的认识，从长计议，预先考虑远期负荷增长的需要，如新增用电负荷的可能。一般情况下，使变压器靠近负荷中心，线路由电源向周围辐射，缩短供电半径：10 kV线路供电半径≤15 km；低压线路供电半径≤0.5 km。同时尽量保证三相变压器负荷平衡，减少负序电压损耗。同时，要充分考虑配电主干线路的电能损耗问题，把降低配电主干线路的电能损耗降低到最低值，在现有的条件和可能的情况下，增大导线截面，提前分流，转移负荷等方法，以减少配电主干线路的电压降，从而提高配电网末端的电压质量。
采取新型节能型变压器也是优化配电网布局的主要措施之一。为提高供电可靠性，实现节能降耗的经济运行模式，建议选择节能型变压器。节能型变压器种类很多，如有叠铁心、卷铁心和非晶合金铁心等几种类型。卷铁心配电变压器其优点降低变压器空载损耗约10%-25%，依变压器容量而变，有效降低空载电流，从而实现节能降耗。近年来在我国逐渐推广，特别是在国家电网二期农网改造中使用极为普遍。单相配电变压器（D10型）变压器便于安装并靠近负荷中心，与同容量三相变压器相比，空载损耗和负载损耗都小，应用极为广泛。非晶合金配电变压器和干式配电变压器等各有各的优点和不足。变压器的选用要考虑的因素很多，要根据用电负荷、用电场地等客观条件科学选配安装。要坚持因地制宜，好中选优，量力而行的原则。尤其是要抓住农网建设与改造的契机，坚持科学规划、合理淘汰高耗能变压器，不断提高用电质量。
3 结束语
综上所述，开展变压器经济运行范围广，节电方式很多，对于变压器的经济运行模式，要因地制宜，结合实际负荷情况及现场情况，充分利用现有的设备条件，要对现有的变压器技术参数进行严密的计算分析，选取最佳技术参数的变压器，选择合理的变压器型号、容量及运行方式，运用综合节能降耗方法，减少变压器的有功及无功功率损耗，实现变压器的节能降耗及稳定运行，从而实现变压器的经济运行。
参考文献
[1]周绍清.浅谈变压器现有的技术参数的调整[J].四川电力大学学报自然科学版），2011（02）：59.
[2]朱明先.在配电网中装设无功补偿设备的探索[J].云南电力科技，2010（04）：35-36.
[3]沈丽君.如何降低变压器电能损耗[J].中国电业，2009（11）：12-16.
[4]苏佩颜.实现变压器的节能降耗及稳定运行探究[J].云南电力，2009（06）：98-100.
[5]武汉港.试论变压器节约电能和提高供电质量[J].北京电力大学学报自然科学版），2011（02）：59.
[6]张明楷.在配电网中装设无功补偿设备的探索[J].创新科技，2011（12）：39-40.
[7]刘和刚.浅谈变压器综合节能降耗方法[J].中国科教创新导刊，2010（09）：98-99.
[8]康洪涛.变压器的有功损耗和负荷的关系探究[J].河北电力，2012（06）：56-58.