对变压器运行效率与经济管理问题的探讨

摘要：变压器的运行过程会产生很多的无谓损失，不仅浪费了大量的资源，降低了效率，也对变压器的寿命与安全运行带来了较大影响，因此从经济层面出发来提升变压器的运行效率就显得十分必要。在这种背景下，首先介绍了变压器运行的效率损失类型与效率计算方式，进而探讨了实施经济运行的方案选择，最后给出了变压器实现经济运行的保障措施。

关键词：变压器；运行效率；经济管理；保障

作者简介：林忠福（1979-），男，福建莆田人，国家新闻出版广电总局824台，工程師。（福建 莆田 351111）

中图分类号：TM4 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0259-02

一、变压器运行的效率损失与计算

1.效率损失

变压器运行过程中的效率损失主要来自两大方面，即铜损与铁损。铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗。当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗。由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。变压器的铁损包括两个方面：一是磁滞损耗。当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线的方向和大小会随之变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗。二是涡流损耗。当变压器工作时，铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于这一电流自成闭合回路形成环流且成旋涡状，故称为涡流。涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。变压器的效率与变压器的功率等级有着密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。[1]

2.效率计算

变压器的效率可以用以下公式计得：变压器的效率=输出功率/输入功率×100%。其中，因为输入、输出的能量都是电能，所以也可以用“功率=VI”来计算输出、输入功率。如果变压器的效率是100%，通常称其为“理想变压器”（Ideal Transformer）。在该情形下：输入功率=输出功率，即VP IP=VS IS。然而在现实中，能量转换过程中有能量损耗是在所难免的（如会产生热能），也可以用一般的方法来提升变压器的效率，包括：线圈度使用较粗的导线，因为粗导线的电阻比较细，所以导线中的能量损耗都会较细；使用软铁心，因为软铁心比较容易磁化同退磁，在传递磁场时的能量损耗会较低；把软铁芯切成不相通的薄片，这是因为磁力会和铁芯度产生环回电流（Eddy Currents），导致能量化成热并流失至外界。

二、变压器经济运行的方案选择

GB/T13462—92对变压器经济运行区确定的原则是：变压器在额定负载条件下的运行区应属于经济运行区。因此，变压器经济运行区的上限值定为负荷率等于1，经济运行区的下限值所对应的效率应与经济运行区的上限值的效率相等，其计算公式推导如下：

1.变压器国标经济运行区的上下限

一是变压器经济运行区上限的效率。变压器效率的一般计算公式为：

（1）

式中：U*=U/Ur为变压器运行电压标幺值；U为变压器运行电压；Ur为变压器的额定电压；ΔP0为变压器空载试验损耗；ΔPk为变压器短路试验损耗；β为变压器的负荷率；Sr为变压器的额定容量；cosφ为变压器的功率因数。

将额定工况条件β=1，U*=1代入（1）式，得：

（2）

二是经济运行区下限值的效率计算公式。变压器处在经济运行区下限值时的效率公式为：

（3）

令η2=η1，即（3）式与（2）式相等，解得：

（4）

由（4）式可知，变压器经济运行区的负荷率下限值与变压器空载试验损耗成正比，与变压器短路试验损耗成反比，还与变压器运行电压标幺值的平方成正比，也就是说运行电压升高时，经济运行区负荷率下限值会增大。说明变压器的运行电压对其经济运行区的宽度有影响。[2]

三是“大马拉小车”的判据。根据式（4）计算出变压器经济运行区负荷率的下限值，当负荷率小于经济运行区负荷率下限值时可以判定变压器处于“大马拉小车”工况。

2.变压器经济容量的选择

根据变压器经济运行区的上下限确定其经济容量，使变压器实际运行的工作点不超出经济运行区间。

按最大负荷选择容量，条件是：

（5）

按最小负荷校验容量，条件是：

（6）

如果（5）、（6）两式均成立，则所选择的容量为经济容量，变压器运行时不会超出经济运行区间。

三、构建变压器经济运行的监测系统

变压器经济运行的监测系统主要包括两大部分，即变压器感测记录器与资料读取器。变压器感测记录器的重点内容在于中央处理器的配置。中央处理器是变压器感测记录器的控制中枢，整合各硬件模块输入、输出的资料。相较于变压感测器，资料读取器的设置更为复杂。资料读取器的主要功能是供巡检人员以无线电方式读取感测记录器中的资料。资料读取器以PDA作为工作平台，因此，对于资料读取器的工作重点，主要注重于PDA上设计资料读取软件及设定储存界面，各软件模块应包含如下功能：

一是界面整合管理模块。界面整合管理模块为资料读取器的开始，资料读取器的所有软件模块功能均是由此进入执行，主要用来统合各项软件模块的功能，各项功能选项均会整合在该管理模块里面，程序界面会显示各项模块的名称，目的是方便巡检人员清楚地了解操作资料读取器。

二是资料读取模块。该模块包含两种主要功能界面：一是即时读取，该界面可以即时读取变压器该时刻的电流、温度及时间资料，并通过人性化的视窗界面显示在PDA上，可以让巡检人员立即得知该时刻变压器的所有负载情况；二是读取资料的初步整理，即将复杂繁琐的资料进行归类与筛选，从而便于下一步的操作。

三是资料储存模块。读取操作之后，资料会完整地显示于视窗界面上，同时可以利用资料储存模块把所有温度、电流及时间的资料储存成文字（.txt）档案格式，并存放于资料读取器里，以便将来可以让巡检人员再重新观看负载资料，以及后续传送至主电脑下的变压器诊断系统作进一步分析。

四是资料传送模块。所有储存于资料记录器里的负载记录资料，最后会以USB为界面通过该模块即USB桌上型同步化插座，把所有负载资料同步于个人电脑上，方便巡检人员检阅此负载记录资料；也可以把各负载资料作备份、汇整的后续工作。

五是资料处理模块。该模块的主要功能是时间设定，该界面在变压器安装时就要进行必要的时间设定，确保变压器感测记录器的系统时间设定和PDA同步。当系统安装一段时间后，同样也可利用该界面来对系统的时间作校正，重新再与PDA同步。

四、实施变压器实现经济运行的经济管理保障措施

变压器运行效率的实现不仅仅是技术层面的问题，更表现为深层的经济层面问题。在运行电压器的过程中，供电部门及用电者的相关利益都会受到影响，而这也表现为对电力价格变化的影响。因此，变压器经济运行的实现应当从系统观出发，切实做好管理层面的相关内容。就变电站来说，应做好如下工作。

第一，合理选择变压器的容量水平，并且在选择时要确保对安全性能、技术环节及经济层面的各类指标加以系统考虑。如果变压器的运行长时间属于超负荷运行状态，则很容易降低变压器的使用效率，带来更大的线路损失。另外，满负荷与超负荷运行也容易缩短变压器的使用寿命，更有可能引发变压器被烧毁的危险。因此，估计变压器的容量水平，是合理使用变压器的前提所在。如果变压器由于超负荷运行，导致温度升高的状况出现时应当及时采取补救方案。例如，对于温度升高的情况进行详细解读，从而采取措施使得变压器得到强制冷却。

第二，对于老旧的变压器要进行及时的更新换代，使用能耗较低的变压器，这不仅符合国家节能环保的政策要求，也是变电站服务社会的主要表现之一。[3]对于变压器更新换代项目的推广开展，既可以由组织及用户自行完成，也可以通过与节能环保部门进行有效合作来完成。就合作完成而言，这需要节能环保部门带头构建相应的方案，变电站或个人给予充分的支持。

第三，实施系统化的变压器运行体系。这种系统化的经济运行体系应当涵盖负荷、规章与功率补偿等方面的内容。就负载而言，除了上述所要求的不能满负荷的运行之外，还需要关注变压器的最低负荷大小，严格杜绝载电量的过、轻、空等现象。目前变电站所常用的变压器的负荷率基本维持在0.5左右的水平，过载运行会导致效率的明顯降低，而低负荷运行同样不符合经济运行的要求。除此之外，还需要关注平衡负荷的实现，即有效地减少由于不平衡的存在而带来的铜损状况的增加。就规章而言，其构建也应当聚焦于负荷量的突然变化，充分采用“谷”、“峰”之间的互相填补，来合理指导用电负荷持久稳定的实现，最终带来波动性及线损的减少。就功率互补来看，有必要采取无功自动互补的模式来有效提升负荷功率的因数大小，从而减少由无功所带来的损失，最终提升变压器的运行效率。

参考文献：

[1]王平瑞.变压器的损耗及效率的研究[J].煤炭技术，2011，（9）.

[2]黄大集.配电变压器的经济运行方式分析[J].电气开关，2013，（1）.

[3]马吉恩，杨华勇，徐兵，等.液压变压器效率特性的测试与分析[J].浙江大学学报（工学版），2008，（7）.

（责任编辑：孙晴）