摘要：變壓器的運(yùn)行過程會產(chǎn)生很多的無謂損失，不僅浪費(fèi)了大量的資源，降低了效率，也對變壓器的壽命與安全運(yùn)行帶來了較大影響，因此從經(jīng)濟(jì)層面出發(fā)來提升變壓器的運(yùn)行效率就顯得十分必要。在這種背景下，首先介紹了變壓器運(yùn)行的效率損失類型與效率計(jì)算方式，進(jìn)而探討了實(shí)施經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方案選擇，最后給出了變壓器實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保障措施。

關(guān)鍵詞：變壓器；運(yùn)行效率；經(jīng)濟(jì)管理；保障

作者簡介：林忠福（1979-），男，福建莆田人，國家新聞出版廣電總局824臺，工程師。（福建 莆田 351111）

中圖分類號：TM4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0259-02

一、變壓器運(yùn)行的效率損失與計(jì)算

1.效率損失

變壓器運(yùn)行過程中的效率損失主要來自兩大方面，即銅損與鐵損。銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗。當(dāng)電流通過線圈電阻發(fā)熱時(shí)，一部分電能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗。由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損。變壓器的鐵損包括兩個(gè)方面：一是磁滯損耗。當(dāng)交流電流通過變壓器時(shí)，通過變壓器硅鋼片的磁力線的方向和大小會隨之變化，使得硅鋼片內(nèi)部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。二是渦流損耗。當(dāng)變壓器工作時(shí)，鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于這一電流自成閉合回路形成環(huán)流且成旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使鐵芯發(fā)熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。變壓器的效率與變壓器的功率等級有著密切關(guān)系，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。[1]

2.效率計(jì)算

變壓器的效率可以用以下公式計(jì)得：變壓器的效率=輸出功率/輸入功率×100%。其中，因?yàn)檩斎?、輸出的能量都是電能，所以也可以用“功?VI”來計(jì)算輸出、輸入功率。如果變壓器的效率是100%，通常稱其為“理想變壓器”（Ideal Transformer）。在該情形下：輸入功率=輸出功率，即VP IP=VS IS。然而在現(xiàn)實(shí)中，能量轉(zhuǎn)換過程中有能量損耗是在所難免的（如會產(chǎn)生熱能），也可以用一般的方法來提升變壓器的效率，包括：線圈度使用較粗的導(dǎo)線，因?yàn)榇謱?dǎo)線的電阻比較細(xì)，所以導(dǎo)線中的能量損耗都會較細(xì)；使用軟鐵心，因?yàn)檐涜F心比較容易磁化同退磁，在傳遞磁場時(shí)的能量損耗會較低；把軟鐵芯切成不相通的薄片，這是因?yàn)榇帕丸F芯度產(chǎn)生環(huán)回電流（Eddy Currents），導(dǎo)致能量化成熱并流失至外界。

二、變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方案選擇

GB/T13462—92對變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)確定的原則是：變壓器在額定負(fù)載條件下的運(yùn)行區(qū)應(yīng)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。因此，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的上限值定為負(fù)荷率等于1，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的下限值所對應(yīng)的效率應(yīng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的上限值的效率相等，其計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

1.變壓器國標(biāo)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的上下限

一是變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)上限的效率。變壓器效率的一般計(jì)算公式為：

（1）

式中：U*=U/Ur為變壓器運(yùn)行電壓標(biāo)幺值；U為變壓器運(yùn)行電壓；Ur為變壓器的額定電壓；ΔP0為變壓器空載試驗(yàn)損耗；ΔPk為變壓器短路試驗(yàn)損耗；β為變壓器的負(fù)荷率；Sr為變壓器的額定容量；cosφ為變壓器的功率因數(shù)。

將額定工況條件β=1，U*=1代入（1）式，得：

（2）

二是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限值的效率計(jì)算公式。變壓器處在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限值時(shí)的效率公式為：

（3）

令η2=η1，即（3）式與（2）式相等，解得：

（4）

由（4）式可知，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的負(fù)荷率下限值與變壓器空載試驗(yàn)損耗成正比，與變壓器短路試驗(yàn)損耗成反比，還與變壓器運(yùn)行電壓標(biāo)幺值的平方成正比，也就是說運(yùn)行電壓升高時(shí)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)荷率下限值會增大。說明變壓器的運(yùn)行電壓對其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的寬度有影響。[2]

三是“大馬拉小車”的判據(jù)。根據(jù)式（4）計(jì)算出變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)荷率的下限值，當(dāng)負(fù)荷率小于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)荷率下限值時(shí)可以判定變壓器處于“大馬拉小車”工況。

2.變壓器經(jīng)濟(jì)容量的選擇

根據(jù)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的上下限確定其經(jīng)濟(jì)容量，使變壓器實(shí)際運(yùn)行的工作點(diǎn)不超出經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。

按最大負(fù)荷選擇容量，條件是：

（5）

按最小負(fù)荷校驗(yàn)容量，條件是：

（6）

如果（5）、（6）兩式均成立，則所選擇的容量為經(jīng)濟(jì)容量，變壓器運(yùn)行時(shí)不會超出經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。

三、構(gòu)建變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的監(jiān)測系統(tǒng)

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的監(jiān)測系統(tǒng)主要包括兩大部分，即變壓器感測記錄器與資料讀取器。變壓器感測記錄器的重點(diǎn)內(nèi)容在于中央處理器的配置。中央處理器是變壓器感測記錄器的控制中樞，整合各硬件模塊輸入、輸出的資料。相較于變壓感測器，資料讀取器的設(shè)置更為復(fù)雜。資料讀取器的主要功能是供巡檢人員以無線電方式讀取感測記錄器中的資料。資料讀取器以PDA作為工作平臺，因此，對于資料讀取器的工作重點(diǎn)，主要注重于PDA上設(shè)計(jì)資料讀取軟件及設(shè)定儲存界面，各軟件模塊應(yīng)包含如下功能：

一是界面整合管理模塊。界面整合管理模塊為資料讀取器的開始，資料讀取器的所有軟件模塊功能均是由此進(jìn)入執(zhí)行，主要用來統(tǒng)合各項(xiàng)軟件模塊的功能，各項(xiàng)功能選項(xiàng)均會整合在該管理模塊里面，程序界面會顯示各項(xiàng)模塊的名稱，目的是方便巡檢人員清楚地了解操作資料讀取器。

二是資料讀取模塊。該模塊包含兩種主要功能界面：一是即時(shí)讀取，該界面可以即時(shí)讀取變壓器該時(shí)刻的電流、溫度及時(shí)間資料，并通過人性化的視窗界面顯示在PDA上，可以讓巡檢人員立即得知該時(shí)刻變壓器的所有負(fù)載情況；二是讀取資料的初步整理，即將復(fù)雜繁瑣的資料進(jìn)行歸類與篩選，從而便于下一步的操作。

三是資料儲存模塊。讀取操作之后，資料會完整地顯示于視窗界面上，同時(shí)可以利用資料儲存模塊把所有溫度、電流及時(shí)間的資料儲存成文字（.txt）檔案格式，并存放于資料讀取器里，以便將來可以讓巡檢人員再重新觀看負(fù)載資料，以及后續(xù)傳送至主電腦下的變壓器診斷系統(tǒng)作進(jìn)一步分析。

四是資料傳送模塊。所有儲存于資料記錄器里的負(fù)載記錄資料，最后會以USB為界面通過該模塊即USB桌上型同步化插座，把所有負(fù)載資料同步于個(gè)人電腦上，方便巡檢人員檢閱此負(fù)載記錄資料；也可以把各負(fù)載資料作備份、匯整的后續(xù)工作。

五是資料處理模塊。該模塊的主要功能是時(shí)間設(shè)定，該界面在變壓器安裝時(shí)就要進(jìn)行必要的時(shí)間設(shè)定，確保變壓器感測記錄器的系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定和PDA同步。當(dāng)系統(tǒng)安裝一段時(shí)間后，同樣也可利用該界面來對系統(tǒng)的時(shí)間作校正，重新再與PDA同步。

四、實(shí)施變壓器實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)管理保障措施

變壓器運(yùn)行效率的實(shí)現(xiàn)不僅僅是技術(shù)層面的問題，更表現(xiàn)為深層的經(jīng)濟(jì)層面問題。在運(yùn)行電壓器的過程中，供電部門及用電者的相關(guān)利益都會受到影響，而這也表現(xiàn)為對電力價(jià)格變化的影響。因此，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)觀出發(fā)，切實(shí)做好管理層面的相關(guān)內(nèi)容。就變電站來說，應(yīng)做好如下工作。

第一，合理選擇變壓器的容量水平，并且在選擇時(shí)要確保對安全性能、技術(shù)環(huán)節(jié)及經(jīng)濟(jì)層面的各類指標(biāo)加以系統(tǒng)考慮。如果變壓器的運(yùn)行長時(shí)間屬于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，則很容易降低變壓器的使用效率，帶來更大的線路損失。另外，滿負(fù)荷與超負(fù)荷運(yùn)行也容易縮短變壓器的使用壽命，更有可能引發(fā)變壓器被燒毀的危險(xiǎn)。因此，估計(jì)變壓器的容量水平，是合理使用變壓器的前提所在。如果變壓器由于超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致溫度升高的狀況出現(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取補(bǔ)救方案。例如，對于溫度升高的情況進(jìn)行詳細(xì)解讀，從而采取措施使得變壓器得到強(qiáng)制冷卻。

第二，對于老舊的變壓器要進(jìn)行及時(shí)的更新?lián)Q代，使用能耗較低的變壓器，這不僅符合國家節(jié)能環(huán)保的政策要求，也是變電站服務(wù)社會的主要表現(xiàn)之一。[3]對于變壓器更新?lián)Q代項(xiàng)目的推廣開展，既可以由組織及用戶自行完成，也可以通過與節(jié)能環(huán)保部門進(jìn)行有效合作來完成。就合作完成而言，這需要節(jié)能環(huán)保部門帶頭構(gòu)建相應(yīng)的方案，變電站或個(gè)人給予充分的支持。

第三，實(shí)施系統(tǒng)化的變壓器運(yùn)行體系。這種系統(tǒng)化的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行體系應(yīng)當(dāng)涵蓋負(fù)荷、規(guī)章與功率補(bǔ)償?shù)确矫娴膬?nèi)容。就負(fù)載而言，除了上述所要求的不能滿負(fù)荷的運(yùn)行之外，還需要關(guān)注變壓器的最低負(fù)荷大小，嚴(yán)格杜絕載電量的過、輕、空等現(xiàn)象。目前變電站所常用的變壓器的負(fù)荷率基本維持在0.5左右的水平，過載運(yùn)行會導(dǎo)致效率的明顯降低，而低負(fù)荷運(yùn)行同樣不符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。除此之外，還需要關(guān)注平衡負(fù)荷的實(shí)現(xiàn)，即有效地減少由于不平衡的存在而帶來的銅損狀況的增加。就規(guī)章而言，其構(gòu)建也應(yīng)當(dāng)聚焦于負(fù)荷量的突然變化，充分采用“谷”、“峰”之間的互相填補(bǔ)，來合理指導(dǎo)用電負(fù)荷持久穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)，最終帶來波動性及線損的減少。就功率互補(bǔ)來看，有必要采取無功自動互補(bǔ)的模式來有效提升負(fù)荷功率的因數(shù)大小，從而減少由無功所帶來的損失，最終提升變壓器的運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王平瑞.變壓器的損耗及效率的研究[J].煤炭技術(shù)，2011，（9）.

[2]黃大集.配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式分析[J].電氣開關(guān)，2013，（1）.

[3]馬吉恩，楊華勇，徐兵，等.液壓變壓器效率特性的測試與分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，（7）.

（責(zé)任編輯：孫晴）