配电变压器经济运行性探究

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配电变压器总数和总量庞大,处于电力系统的末端配电网,其主要功能就是电能的传输、电能的调控以及电能的分配,在此过程中出现的有功功率损耗和无功功率损耗也会随之上升。变压器在功率消耗最小的情况下运行,使得运行费用最低、电能损耗最少,即变压器经济运行性。变压器经济运行的目的有以下三方面:一是延长变压器使用寿命;二是减少电能损耗;三是节约能源。在我国工业用电、生活用电需求日益增加的背景下,配电变压器经济运行性具有极其重要的作用。

一、配电变压器经济运行性现状

现阶段,配电变压器运行不稳定现象在我国很多地区电网普遍存在,部分地区电网配电变压器运行不稳定问题严重,导致电力能源极度紧张,甚至供不应求。这种现象给当地企业正常生产、居民正常生活以及经济健康发展都产生了不同程度的影响,不仅损害了电力企业声誉,还会给社会带来不安定因素[1]。在我国电力需求持续增长,电力建设滞后、电力供应不足相对不足的情况下,及时进行电网改造,进一步加强配电变压器运行经济性至关重要。在电力系统中,配电变压器数量巨大、应用范围广泛,可确保电能转换过程高效、快速,其经济运行性将直接影响到电力系统的经济性。相较于西方先进国家,我国电力系统平均线损率明显更高,可达到15%以上,加之农村电网、城市低压配电网以及大型工矿企业配电网的线损,在输配电过程中,全国一年约有2000亿千瓦的电能损耗,平均线损率超过18%。农村配变电压器损耗约为50%,这可能与农村地区配电变压器全年空载运行时间和轻载时间较长,峰谷差大、季节性强有关。在大型企业和城乡15k V及以下的配电网总线路损耗中,配电变压器损耗占据三分之一。总而言之,电力企业想要获得更为理想的经济和社会效益,就必须从提升配电变压器经济运行性着手。

二、配电变压器经济运行存在的问题

(一)传统系统。由于低压电网范围小,采用传统系统的部分,配电变压器绝缘得到了充分保障,因此供电经济性、供电可靠性以及供电安全性都比较好[1]。

(二)WH系统。从经济运行角度出发,WH系统安装漏保护的方式,虽然投资成本较大,能够有效避免电击伤害。从配电变压器可靠性角度出发,漏电总保护可导致频繁跳闸,造成大面积停电,进而影响工业生产和居民正常生活。有统计数据指出,90%以上的漏电总保护动作跳闸,与各种原因的漏电有关。农村地区多为低压电网,因此配电变压器采用WH系统加装漏电保护器,但漏电总保护动作跳闸导致的停电次数较多,所带来的影响和后果也愈发严重。以往,我国农村低压电网范围大,设备监控状况差,无法保证低压电力网零线、相线对地绝缘等因素,电击事件频发,故采用安装漏电总保护的方式,降低电击事故带来的人身伤亡情况。随着我国农村电力设施的不断进步,已经安装漏电保护的地区,因电击而伤亡的人数显著减少,因电击而死亡的事故中,多是由于漏电保护器损毁所致[3]。在保证供电可靠性和用电安全两者之间,以上配电变压器运行方式无法兼顾,亟待找到一种在确保配电变压器供电可靠性和用电安全的方式。

(三)WH-R系统。采用WH-R系统的部分,配电变压器在运行安全性、可靠性方面存在一定不足,电气设备外露容易引发配电变压器部分漏电,甚至造成大范围停电,因此应由过流保护切断电源。同时,受线路导线阻抗较大等因素影响,在用户电气设备故障,导致配电变压器部分漏电的情况下,可能出现过流保护无法切断故障等现象,带电的电气设备外露,人直接碰触带电部分或碰到已带电的电气设备时,可造成电击危险。配电变压器运行过程中,为有效解决这一问题,应设置末端漏电断路器,改变接地方式。

三、配电变压器节能的具体措施

(一)选用节能型变压器。节能型产品是电力企业配电变压器的首选。目前,市场应用最为广泛的仍然是S9型配电变压器,但S11、S12等新设备伴随新技术的出现,在一定程度上替代了S9型,新设备节能效果更佳显著,空载损耗可降低30%,空载电流降低40%。当前,作为第七代节能产品,非晶合金变压器已成为节能效果最理想的配电变压器,与传统设备相比,空载损耗可下降70%～80%,在部分发达国家电力系统中应用逐渐增多。由此可知,选用节能型变压器,最大限度降低电能损耗是电力企业发展新趋势,有利于提升变压器经济运行性[4]。

(二)电压调整法

图1 配电变压器总损耗公式

配电变压器总损耗计算公式见图1[5]。其中,UN、U表示额定电压和运行电压;R表示变压器绕组的等值电阻;Q、P表示无功功率和有功功率。从公式可以看出,一次电压和铁损之间存在相关性,与电压平方成正比。在配电变压器运行过程中,变压器的铁损占总损耗的80%,在这种情况下,除了在允许范围内偏移末端用户电压,还应适当调低配电网的供电电压,以此降低空载带来的损耗。同时,受磁路饱和的影响,一旦供电电压高于额定值,将会导致无功功率极速增长,无功功率增长可达35%。

(三)无功补偿。在轻载或空载运行过程中,配电变压器的励磁无功,从而产生无功负荷,10%～15%的额定容量是一般情况下配电变压器无功功率的消耗占比。在变压器的二次侧,需利用集中的补偿,安装低电压容器,并做好相关的补偿处理。连接低压电容器时,通过低压开关,即可将低压电容器与变压器的低压母线相连接,通过无功补偿投切装置加以保护,就可以按照空载和轻载的要求,控制电容器之中低压母线无功负荷的投切。

四、配电变压器经济运行对策

(一)加强配电变压器技术管理。注重变压器损耗的降低,尽可能缩减配电变压器的降压次数;对于变比小于5的变压器,在经济运行条件允许的情况下,尽量采用高耦变压器。与同容量两圈线的变压器相比,高耦变压器无功和有功损耗明显更低,随着功率因数的提高,变压器无功和有功消耗都会下降,因此不同功率因数导致的变压器无功消耗和有功消耗之间存在较大差异。由此可知,不断降低变压器无功功率,尽量提高变压器功率,可使变压器绕组的电阻随着温度增大。在同一负载下,不同变压器温度会随着损耗降低,因此应大量降低变压器温蒂,做好变压器散热[6]。

(二)不断更新配电变压器设备。一般情况下,配电变压器使用寿命为15年,对于不同容量、不同型号的变压器,生产厂家对其使用寿命的规定也不尽相同。不断更新配电变压器的目的不仅是为了消除有形磨损,更是为了消除看不见的无形磨损。随着配电变压器产品的更和进步,其技术落后情况得到了有效改善,新设备在提高配电变压器运行效率、降低设备损耗方面作用显著,加快更新配电变压器有利于节约无功电量和有功电量。配电变压器更新是指设备在有一定剩值、老化到一定程度后就可以更新,而不是损坏后再更新。相关电力企业应及时进行变压器更新,并按照规定提取设备折旧费。

(三)强化配电变压器维护保养工作。配电变压器带负荷运行后,电力企业应加强配电变压器维护保养工作,对变压器进行不定期巡视、维护、检查,根据变压器实际运行情况及相关规程要求,做好变压器维修及维护保养工作。对于短期超负荷的变压器,应及时解决这种不利工况,加快更新增容,避免配电变压器长期超负荷运行。在日常维护保养工作中,应注重观察三相电压的偏差值,一旦发现异常情况,必须第一时间查明原因并合理解决。同时,还应观察油位、油色是否发生明显变化;检查变压器高低压侧套管有无裂纹、放电、闪络等不良现象,及时清除变压器外科杂物和油污;检查变压器接地是否良好,有无断裂、脱焊、断线等现象;安装套管防污帽或采取其他防污措施。此外,不定期检查配电变压器接地引下线是否可靠、牢固,是否存在虚接或断裂现象,并对接地电阻进行检测。每年夏季来临前,全面检查高、低压避雷器是否符合相关安全要求,不合格避雷器应及时更换[7]。在变压器运行方式和供电方式方面,应限制低压运行,减少供电半径,低负荷运行时适当降低电压,高负荷时适当提高电压,采用无功补偿提高功率因数。

(四)保证三相负荷平衡。存在较长时间的轻载运行或空载运行,是低压配电网变压器普遍存在的问题,且这种现象在全年时间内占据较大的比例。在此背景下,三相负荷平衡很难保持,一旦出现负荷分布不平衡,就到产生不平衡电压和电流,进而增加变压器功率的实际损耗。三相负荷不平衡最大化的现象,多出现在相同容量的负载进行供电的时候,这种情况导致有功功率损耗明显高于平衡状态下,有功损耗差异可达三倍之多。这就要求电力企业应加强对三相负荷平衡的控制,一旦三相负荷超出正常值,应第一时间采取处理措施,以此确保配电变压器的经济运行性[8]。

(五)选择合理的变压器运行方式。在符合实际用电需求增长的前提下,电力企业都会考虑对配电网进行适当改造,一般来说,配电器容量都存在备用,根据情况适时增加。但是,由于配电网受季节因素影响大,峰谷存在差异,按照供电系统特点,就必须从过负荷和轻符合两个层面进行考量。如果是双变压器供电,一台变压器带负荷,就能够对低负荷进行调整;但在用电高峰,两台变压器需同时运行。这种变压器运行方式高效、合理,在有效降低有功功率损耗的同时,还能是变压器负荷处于最佳范围内,进而有利于电网整体的经济运行[9]。

(六)提高配电网功率因数。自身功率因数偏低是低压配电网运行过程中,出现大量电能损耗的根本原因,可直接影响配电变压器的经济运行性。变压器在有功功率输出一定的情况下,变压器功率因数和输出容量成反比,若功率因素提高,那么变压器的需用容量也会随之降低。想要切实提升变压器的经济运行性以及电网供电能力,必须适当提高配电网功率因数[10]。一般来说,通过安装无功补偿装置,即可达到降低电能损耗,提高电网功率因数的根本目的。

结束语

配电变压器的经济运行及低耗节能至关重要。在配电变压器运行环节,电力企业应将节能降耗、节电增效作为根本目标,合理利用一系列节能措施,切实提高配电变压器的经济运行性。通过本文研究可知,当前我国配电变压器经济运行性还存在很多问题和巨大发展潜力。通过选用节能型变压器、加强配电变压器技术管理、不断更新配电变压器设备等措施,虽然是配电变压器负载率有所上升,但其仍处于高效的工作状态,且电能损耗最大限度降低。在确保供电安全的前提下,加深对配电变压器经济运行性和节能降耗的研究,不仅能够有效解决配电变压器运行存在的实际问题,在提升供电企业精细化管理水平方面也有着十分重要的意义。