引言

變壓器是配電網(wǎng)中不同電壓等級電能間相互轉換的主要設備，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)構成的電力系統(tǒng)來看，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)國內(nèi)外的統(tǒng)計數(shù)字，運行變壓器的容量通常是發(fā)電容量的4~7 倍，是運行電機容量的5~8 倍，這就決定了變壓器必須是一個高效能的設備。盡管如此，但因其數(shù)量多，容量大，所以在廣義電力系統(tǒng)運行中，變壓器總的電能損耗約占發(fā)電量的10%.這對全國而言，意味著全年變壓器總的電能損耗為1 000多億kWh,這相當于一個較大電力系統(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)濟運行，降低變壓器損耗，是實現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行的重要環(huán)節(jié)，是節(jié)約電能的重要手段。

1 現(xiàn)狀研究

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)濟運行，采用新型節(jié)能型變壓器，降低變壓器損耗，是實現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行的重要環(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，提高變壓器的運行可靠性，各國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系，變壓器與運行成本之間的關系，試圖推導出特種變壓器的基本電磁關系。在國外，日本、美國、德國、瑞士等國家相繼采用IEC76標準對變壓器進行細分。挪威電力研究中心O.W. Andersen 利用有限元法開發(fā)的變壓器漏磁場分析軟件，能夠準確計算短路阻抗、渦流損耗和短路機械力。美國非晶合金在配電變壓器中的應用情況，美國是世界上最早開發(fā)非晶合金材料和非晶變壓器的國家，據(jù)不完全統(tǒng)計，到2000年美國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具有美好的情景，美國能源部（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)能標準。

我國變壓器的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段，國家在節(jié)能方面的重視從未發(fā)生過改變。20世紀80年代中期，我國政府強制性地采用S7系列低損耗配電變壓器在全國范圍內(nèi)淘汰正在電網(wǎng)運行的JB1300?73 和JB500?64 標準的高能耗變壓器。從1998 年開始，我國政府又不惜代價地在全國推行兩網(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。但這先后兩次全國大規(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，國內(nèi)在節(jié)能型變壓器相關方面也取得了不少有價值的理論和實驗成果。相關文獻對配電變壓器無功功率的節(jié)能做了探討，并進行可行性分析，提出從提高負載功率因數(shù)降低變壓器無功功率消耗節(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行效率曲線，探討了變壓器的高效經(jīng)濟運行負載區(qū)最佳運行方式，并指出擇優(yōu)選取最佳運行方式和按變壓器經(jīng)濟運行條件來調(diào)整負載，在供電量相同時，能降低變壓器損耗，同時以變壓器綜合功率損耗最小，對變壓器的經(jīng)濟運行進行了優(yōu)化，對配電變壓器的經(jīng)濟運行區(qū)間和最佳運行區(qū)間進行了分析，以及對多臺配電變壓器并列運行時，負載的經(jīng)濟分配進行了分析等研究成果。這些主要技術措施，從而有效地提高配電變壓器綜合利用效率水平。

2 節(jié)能關鍵技術

2.1 變壓器材料

節(jié)能型變壓器對損耗的降低主要是通過導磁材料（硅鋼片）和導電材料（無氧銅導線或銅箔）技術的發(fā)展而實現(xiàn)的。近年來主要是薄硅鋼片的改進與發(fā)展。另外非晶材料的發(fā)展也促進了變壓器的發(fā)展。自20世紀80 年代非晶合金鐵心商業(yè)化以來，已經(jīng)有幾十萬臺非晶合金配電變壓器在世界各地應用。非晶合金配電變壓器的鐵芯是由厚度為普通硅鋼片1 10 的非晶合金材料制成，這種非晶合金材料具有高磁導率、低矯頑力、高電阻率、低鐵損的特點。因此，非晶合金配電變壓器比硅鋼片配電變壓器空負荷損耗將降低70%~80%、空載電流可下降80%左右，在節(jié)電降耗方面具有絕對的優(yōu)勢，但是這種依靠改進材質(zhì)來降低變壓器損耗的方式受到科學技術發(fā)展程度的制約，而且價格偏高導致市場推廣度不高。

相比而言，非晶合金鐵心變壓器具有無噪音，低損耗的特點，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：實現(xiàn)完全密封、不需維護、運行費用相對較低。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，負載損耗則與S9系列基本相同。表1為S11型變壓器與S9型變壓器損耗比較。

2.2 變壓器節(jié)能運行

從大量實際運行經(jīng)驗來看，當配電變壓器運行過電壓水平達到5%時，其內(nèi)部鐵損將會增加15%,而當變壓器過電壓水平達到10%運行時，其內(nèi)部鐵損則會增加高達50%以上，且變壓器空載電流也會大幅度提升，從而增加配電網(wǎng)的無功損耗總量。所以，配電變壓器在實際運行過程中，通過相應設備控制避免其出現(xiàn)過電壓運行工況，一方面可以延長變壓器使用壽命，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)定運行。自動調(diào)壓器是一種可以自動跟蹤配電網(wǎng)輸入電壓變化（主要由負載波動引起），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%波動范圍內(nèi)，對輸入電壓進行動態(tài)實時調(diào)節(jié)。

正常情況下，如果客戶提供單一的設備容量也不算大，選擇一個以上的變壓器，可經(jīng)濟運行，并能提高供電可靠性。當變電站配有兩個或兩個以上的變壓器，變電站的負載的變化導致變電站通常需要進行投入或切除的變壓器的操作。滿足負荷的電力變壓器，應考慮經(jīng)濟運行，所謂的變壓器經(jīng)濟運行，即是變壓器的功率損失最小的操作模式，其功率損耗最低，運營成本最低。在可滿足負荷要求的情況下，可要求暫停使用一個變壓器，用以減少維持變壓器運行的費用。

空載損耗表達式為：

式中：Kw -指無功功率的經(jīng)濟當量，其定義為在電力系統(tǒng)中每增加1 kvar的無功損耗，所需要消耗的有功功率（kW·h），一般情況下此值取0.07~0.1 kW/kvar.

在負荷率β時，變壓器運行時的功率損耗表達式如下：

顯然，式（3）中的ΔPK′ 和ΔPe ′ 兩個變量被認為是從空載功率損耗和短路功率損耗值損失的有功功率和無功功率。

當變電站有兩臺以上不同類型不同容量的變壓器，同理可作出在各種運行曲線下變壓器的有功損耗，并根據(jù)在不同負載的有功功率損耗最低的原則，確定經(jīng)濟運行變壓器的方式。

配電變壓器三相負荷不平衡也是其產(chǎn)生巨大能耗的主要原因，當配電變壓器處于三相平衡負荷運行工況條件下，其負載損耗最??；而當變壓器處于三相負荷不平衡運行工況下，其總能耗為三相損耗的總和，尤其當變壓器運行在最大三相不平衡狀態(tài)下，其系統(tǒng)損耗就是平衡負荷時損耗的3 倍。配電變壓器處于三相負荷不平衡運行工況條件下，不僅會增加自身能耗，同時還會增加一次高壓側線路損耗，據(jù)大量實際運行經(jīng)驗表明，配電變壓器處于最大不平衡運行工況時，其高壓線路的電能損耗會增加12.5%.

3 結語

開展分析配電變壓器各種損耗的產(chǎn)生機理以及降低損耗的方法，對基于實時數(shù)據(jù)庫的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行挖掘，采用信息融合方法分析出系統(tǒng)的經(jīng)濟運行區(qū)間和最佳運行區(qū)間，來優(yōu)化控制無觸點自動調(diào)壓器和三相負載平衡，這將有助于配電變壓器節(jié)能降耗技術，推進節(jié)能型變壓器實用化進程，在理論和實踐中均有重要的研究價值。