配电变压器满负荷状态下的损耗分析与计算.docx

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配电变压器满负荷状态下的损耗分析与计算

摘　要

在论文的写作过程中，本人将通过大量地、广泛地阅读专业期刊、杂志、相关学术著作，进行数据调查、分析、计算等方式，在拥有大量材料的基础上去粗取精，提炼出有代表性、有借鉴意义的观点。

逐步了解配电变压器的工作原理，了解其内部的相关参数及其意义；对其损耗产生的来源进行分析，找到降低损耗的相关方法，同时计算出相应配电变压器在满负荷下的损耗值，并对相应的数值进行分析。

根据以上思路，可设计一种变压器能根据用户实际负荷大小进行有载情况下进行容量调节的变压器，能满足这种运行状况的变压器即是有载调容变压器。

这正是一种根据用户实际负荷大小利用有载调容开关调节运行容量的变压器。

其调容方式由两种调节方式，一种是高低压绕组均采用串并联变换；另一种是高压绕组进行星角变换，低压绕组通过串并联变换

关键词　配电网网损计算负荷曲线理论计算

中文摘要………………………………………………………………………………1

1引言………………………………………………………………………………1

2配电变压器分析……………………………………………………………………2

2.1配电变压器的选择……………………………………………………………2

2.1.1配电变压器型号的选择………………………………………………………2

2.1.2配电变压器容量的选择………………………………………………………3

2.2配电变压器的发展趋势………………………………………………………4

2.2.1节能型油浸式变压器…………………………………………………………4

2.2.2非晶合金变压器…………………………………………………………4

3　传统的配电网网损计算分析与改进措施………………………………………5

3.1均方根电流法…………………………………………………………………5

3.2节点等值功率法……………………………………………………………5

3.3等值电阻法……………………………………………………………………5

3.4配电网网损计算方法的改进…………………………………………………6

3.4.1损失因数………………………………………………………………………7

3.4.2　持续负荷曲线及负荷率……………………………………………………7

3.4.3由持续负荷曲线求损失因数F………………………………………………7

4三相不平衡损耗计算…………………………………………………………8

4.1原因分析………………………………………………………………………8

4.2理论分析………………………………………………………………………8

4.3现场调查分析、试验情况……………………………………………………9

4.3.1负荷电流不平衡率计算：

……………………………………………………9

4.3.2理论线损计算的概念………………………………………………………10

4.2.3配电变压器损耗功率………………………………………………………11

4.2.4等值电阻计算………………………………………………………………12

4.2.5低压线路损失计算方法…………………………………………………12

4.2.6简单线路的损失计算………………………………………………………13

4.2.7复杂线路的损失计算………………………………………………………13

4.2.8电压损失计算………………………………………………………………14

5　配电网经济运行面临的新问题…………………………………………………16

6合理进行无功补偿，提高电网的功率因素……………………………………17

6.1集中补偿：

……………………………………………………………………17

6.2分散补偿：

………………………………………………………………………17

6.3抓紧电网建设，更换高耗能设备………………………………………………17

6.4降低输送电流、合理配置变电器………………………………………………17

7结论………………………………………………………………………………19

参考文献……………………………………………………………………………19

1引言

配电变压器指配电系统中根据电磁感应定律变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。

通常装在电杆上或配电所中，根据安装位置分为室外箱式变压器和室内干式变压器，本文章内容主要讨论电压从6～10千伏降至400伏左右输入用户的变压器。

根据有关统计表明，目前我国每年配电变压器的电能损耗约30-50TWh，占总发电量的2%～3%。

这些配变参数老化、损耗高、缺陷多,运行可靠性差，设计不合理的变压器配电系统，威胁电网安全运行，并造成巨大浪费。

因此，配电变压器的合理选择和配电系统的设计优化十分重要。

配电电力变压器是一种静止的电气设备,是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。

当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。

二次感应电动势的高低与一二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。

主要作用是传输电能，因此，额定容量是它的主要参数。

额定容量是一个表现功率的惯用值，它是表征传输电能的大小，以kVA或MVA表示，在传输电能的过程中，变压器本身要消耗电能。

现代社会中，电能是一种使用最广泛的能源。

在当今社会经济猛速发展的今天，我国电力事业也得了迅速发展。

随着国民经济的发展和人民物质文化水平的不断提高，用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高，这就要求供电部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。

变压器是电力传送过程中的主要电力设备，是一种交流电能的变换装置，能将某一数值的交流电压和电流转变为同频率的另一数值交流电压和电流，它担负着电压、电流转换以及功率传输的任务，它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益。

节能降损是电网建设的重要内容之一，国际上将提高变压器运行效率的要求放在首位，并力求再提高。

本文提出的新颖有载调容变压器可以适应于城、农配电网络，对于降低配电变压器损耗、提高配电变压器运行效率、优化低压配电网络具有重要意义和广阔前景。

未来几年，电网建设和城乡配电网改造仍是我国电力工业的首要任务，配电变压器的市场需求量有望保持较强劲的增涨。

目前在网运行的部分高能耗配电变压器已不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪音的变压器所取代。

2配电变压器分析

配电电力变压器是一种静止的电气设备,是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。

当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。

二次感应电动势的高低与一二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。

主要作用是传输电能，因此，额定容量是它的主要参数。

额定容量是一个表现功率的惯用值，它是表征传输电能的大小，以kVA或MVA表示，在传输电能的过程中，变压器本身要消耗电能。

变压器损耗包括有功功率损耗和无功功率损耗两部分；其中有功功率损耗包含铁损和铜损，铁损与变压器的铁心材质有关系，而铜损与负荷电流有关系；变压器的无功功率损耗包含空载时的无功功率和额定负载时的无功功率，空载时的无功功率与铁心材质有关系，额定负载时的无功功率与负荷电流有关系。

ΔP=P0+β2PK

ΔP—有功功率损耗,KW;P0—变压器空载损耗,KW；PK—变压器短路损耗,KW;β—变压器负载率，%。

ΔQ=Q0+β2QK

ΔQ—无功功率损耗,Kvar;Q0—空载时的无功功率,Kvar；QK—额定负载时的无功功率,Kvar;β—变压器负载率，%。

β=P2/SNCOSΦ

P2—变压器负载侧输出功率；KW,SN—变压器的额定功率；KVA,COSΦ—负载功率因数。

当对变压器施加额定电压时，根据它来确定在规定条件下不超过温升限值的额定电流。

根据以上变压器数据计算出变压器损耗，尽量使变压器的损耗最小化。

2.1配电变压器的选择

2.1.1配电变压器型号的选择

我国目前运行的变压器产品中，按变压器技术参数水平进行分析，可把目前国内的各类型变压器划分为四代产品，第一代变压器成为热轧硅钢片变压器，其型号为TM，TN，SJ,SJI及SJII型（简称“64”标准变压器）；第二代变压器称为冷轧钢硅钢片变压器，按GB1300-1973系列生产的SJ3~SJ5或S3~S5型（简称”73“标准型变压器）；第三代变压器产品称为低损耗节能型变压器，即S7，SL7和S9型（简称”86”标准变压器）；第四代变压器是非晶合金铁心变压器。

以前的配电变压器大都采用高损耗SJ系列的变压器供电,损耗比重大。

近年来,国家新开发的新型节能型变压器有S8和S9及S11三大类。

S11是三相油浸式R型、阶梯型卷铁心配电变压器。

阶梯型三柱内外框卷制结构，均在最外层点焊不绑扎。

铁心材料选用DQ133-30（9型）、30ZH120（11型）、23ZH90（13型）等冷轧硅钢片，实际生产中使用的铁心材料不低于图样要求。

铁心为无接缝连续卷制而成。

R型铁心片宽保证铁心截面为圆形，阶梯型铁心为多级片宽卷制而成。

铁心卷铁成型后进行真空退火，消除了应力，降低了损耗。

S11、10kV级低损耗电力变压器采用全密封波纹油箱结构,变压器油和周围空气不接触，因此变压器油不会吸收外界水分,从而不会降低绝缘强度;另外因氧气无法进入油箱,从而避免了绝缘材料的老化，提高了该产品的使用寿命,同时也提高了社会效益。

技术特点比较：

（1）节能:

S11型比GB/T6451空载损耗平均降低30%，负载损耗平均降低25%，运行费用平均下降20%。

（2）使用寿命长:

变压器油箱采用全密封结构,油箱与箱沿可用螺栓联接或焊死，变压器油不与空气接触延长了使用寿命。

（3）运行可靠性高:

油箱密封有关零部件进行改进，增加了可靠性，提高工艺水平以保证密封的可靠性。

（4）占地面积小:

S9-M、S11-M系列变压器油箱采用波纹板式散热器，当油温变化时波纹板热胀冷缩可取代储油柜的作用,波纹板式油箱外形美观,占地面积小。

第四代的非晶合金铁心变压器是国家重点推广的新型节能产品，它是利用铁、硼、硅、碳四中元素合成的非晶合金作为铁心材料而研制的变压器，铁磁损失极小，对配电系统的节能降耗有着重大意义。

2.1.2配电变压器容量的选择

以10kV配电变压器容量的选择为例来说，要合理选择配电变压器的容量,既要考虑当地经济发展带来的对电力需求的增加,也要考虑购置成本的合理性。

一般原则是选择当地实际电力需求量的65%～85%,考虑未来五到十年的用电增长需求,切忌出现“大马拉小车”等不考虑当地购置成本一味上大容量配电变压器,等不合理现象。

在选择变压器容量时，要根据建筑物的性质、负荷大小、负荷等级及经济运行等因素综合选择变压器的容量和台数。

当有大量一级负荷和二级，有变化较大的季节性负荷，有较大的集中负荷时，需考虑装设多台变压器，合理分配变压器的用电负荷，做到经济、节约、合理。

在选择变压器设置的位置时，要尽量方便高低压出线，方便变压器设备的整体安装和搬运，尽量接近负荷中心，不应设置在潮湿、高温、剧烈震动的场所。

在选择变压器的接线时，可根据本工程的负荷等级、负荷的容量、负荷的分布情况，选择合理的接线方式，一般变压器的接线形式分为放射式、树干式、和链式联接。

尽量做到变压器配电系统安全可靠节约。

在选择变压器的型式时，一般高层或大型民用建筑选择室内干式型变压器；城市住宅小区视负荷情况选择独立式配电变电所，采用干式变压器，也可采用室外箱式变压器；对于负荷小而分散的建筑群，也可采用户外箱式变压器；对于偏远地带和山区，也可采用35KV线路供电，设置35/0.4的直降变压器。

2.2配电变压器的发展趋势

未来几年，电网建设和城乡配电网改造仍是我国电力工业的首要任务，配电变压器的市场需求量有望保持较强劲的增涨。

目前在网运行的部分高能耗配电变压器已不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪音的变压器所取代。

2.2.1节能型油浸式变压器

油浸式配电变压器按损耗性能分为S9、S11、S13系列，相比之下S11系列变压器的空载损耗比S9系列低20%，S13系列变压器的空载损耗比S11系列低25%。

目前国家电网公司已经广泛使用S11系列配电变压器，并正在城网改造中逐步推广S13系列，未来一段时间S11、S13系列油浸式配电变压器将完全取代现有在网运行的S9系列。

尽管我国配电变压器行业竞争激烈，但对具有新技术、新材料、新工艺的生产企业来说机遇大于挑战。

在国家产业政策和“节能降耗”的推动下，行业内规模较小、技术研发能力较弱的企业将面临淘汰，具备节能型、低噪音、智能化配电变压器产品研发和生产能力的企业将进一步扩大市场份额，未来市场前景广阔。

2.2.2非晶合金变压器

非晶合金变压器兼具了节能性和经济性，其显着特点是空载损耗很低，仅为S9系列油浸式变压器的20%左右，符合国家产业政策和电网节能降耗的要求，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网等负载率较低的地方。

尽管国家发改委早于2005年开始鼓励和推广非晶合金变压器，但受制于原材料非晶合金带材产能不足的制约，我国非晶合金变压器一直未进行大规模生产。

目前在网运行使用的非晶合金变压器占配电变压器的比重仅为7%-8%，全国范围内仅上海、江苏、浙江等地区大批量采用非晶合金变压器。

随着安泰科技非晶合金带材生产线的达产，原材料制约问题得以解决，未来5-10年非晶合金变压器将在全国范围内得到推广使用，市场潜力巨大。

3　传统的配电网网损计算分析与改进措施

3.1均方根电流法

均方根电流法原理简单,易掌握,对局部电网和个别元件电能损耗的计算或线路出口处仅装设电流表时是相当有效的。

尤其是在0.4～10kV配电网的电能损耗计算中,该法易于推广和普及。

但缺点是负荷测录工作量庞大,需24h监测,准确率差,计算精度不高,且由于当前我国电力系统运行管理水平所限,缺乏用户用电信息的自动反馈手段,给计算带来困难,所以该法适用范围较窄。

3.2节点等值功率法

节点等值功率法方法简单,适用范围广,对于运行电网进行网损的理论分析时,所依据的运行数据来自计费用的电能表,即使不知道具体的负荷曲线形状,也能对计算结果的最大可能误差作出估计,并且电能表本身的准确级别比电流表要高,又有严格的定期校验制度,因此发电及负荷24h的电量和其他的运行参数等原始数据比较准确,且容易获取。

这种方法使收集和整理原始资料的工作大为简化。

在本质上,这种方法是将电能损耗的计算问题转化为功率损耗的计算问题,或者说是转化为潮流计算问题,这种方法相对比较准确,而又容易实现。

因而在负荷功率变化不大的场合下可用于任意网络线损的计算,并得到较为满意的结果。

缺点是该法实际计算过程费时费力,且计算结果精度低。

因为该法只是通过将实际连续变化的节点功率曲线当作阶梯性变化的功率曲线处理或查负荷曲线形状系数的方式获取节点等效功率,近似地考虑系统状态的时变性,这样计算出来的等效功率会与实际情况有一定误差。

另外,当各节点功率取等效功率时,得到的系统潮流分布并不一定就是该段时间内的等效分布。

且运行数据多为人工抄表所得,无法保证数据的同时性。

3.3等值电阻法

等值电阻法是将整个配电网的线损看成由2个部分组成,其中一部分是对应变压器铁芯产生的不变损耗,另一部分是对应线路和变压器绕组产生的可变损耗。

前者在负荷变化的过程中可以近似地认为不变,而后者则随着负荷的变化而变化。

为了简化计算,对于随负荷而变化的这一部分线损用供电首端电流作用下的2个等值电阻代替,其中1个是对应导线损耗的等值电阻,另1个是对应全部公用配电变压器绕组损耗的等值电阻。

这种方法将配电网的可变损耗等价为2个等值电阻上的损耗,避开了配电网结构上的复杂性,而且该法还根据实际电网中负载的变化情况对这2个电阻进行修正,因而精度较高。

同时该法只需要配电网首端的运行记录,使收集和整理原始资料的工作也大为简化。

主要缺点是在计算带补偿电容器的线路时会出现较大误差,其原因是没有考虑无功补偿网络的无功潮流变化。

总之,这些传统的方法有它们各自的优点,但同时也存在着或多或少的不足,其中普遍存在的不足有:

a.在计算配电线路首端负荷曲线形状系数时,未直接采用代表日实际负荷曲线的形状系数,而是依据其负荷率和最小负荷率以相近的典型负荷持续曲线的形状系数来取代,这虽然可减少计算工作量,但却影响了计算的精确度。

另外也未考虑根据精度较高的电量记录对精度较低的电流记录进行修正。

b.当配电网中存在小电源时,只考虑了各电源点平均电流的叠加,而没有考虑时变性负荷曲线的叠加对线损特别是对功率平衡点附近支路损耗的影响。

c.在计算配变铜损时,采用的负荷电流是分配到配电变高压侧的一次电流,没有计及配变的空载电流（或空载损耗）对配变铜损的影响。

d.没有考虑配电网的三相不平衡问题。

e.以整条馈线为单位进行计算,所采用的数据仅是馈线首端的实测数据,一般假设网络中各节点的负荷曲线形状,功率因素均与首端相同,忽略了沿线的电压损失对能耗的影响。

f.没有考虑配电系统运行中的不确定性因素的影响（如系统负荷随着时间变化,由于配电网的节点数目众多,因投资等方面的原因,不可能采集到各个负荷点的数据）,这些近似的方法导致线损结果的准确性很难把握,计算精度较低。

3.4配电网网损计算方法的改进

损计算可以根据不同的计算目的和不同的准确度要求而采用不同的算法。

采用最大电流法求线损很适合于电力网的规划设计。

规划设计时所采用的计算负荷和其他技术数据都是用近似的方法确定的,原始数据本身就有相当大的误差,从而导致计算结果产生误差。

而电网的规划设计是通过综合分析大量的重要因素来选择最合理、最经济的方案,在众多的因素中线损不是最重要的。

为此要充分利用现场能够采集到的原始数据,以提高在电网规划设计过程中线损计算的精确度。

因此,提出采用最大电流法与新的数据处理方式相结合的线损计算方案。

3.4.1损失因数

损失因数F等于线损计算时段（日、月、季、年）内的平均功率损失$Pav与最大负荷功率损失$Pmax之比:

F=$Pav$Pmax=时段T内电流平方的平均值I2rms时段T内最大电流的平方值I2max段T内的电能损耗值为:

$A=$PavT=$PmaxFT$A=3I2maxRFT×10-3=（P2max+Q2max）V2max×RFT×10-3采用最大电流法计算线损的关键之处不是如何获取最大电流,而是如何求取损失因数。

影响损失因数大小的因素主要有:

电力系统的结构、损耗类型、负荷分布、负荷曲线形状等,其中负荷率对损失因数的影响最大。

3.4.2　持续负荷曲线及负荷率

依时序记录变化的负荷,可得到负荷曲线。

在时段T内,不按时序而按负荷大小及其持续时间排列的派生曲线称为持续负荷曲线,如图1所示。

经分析可知,持续负荷曲线与负荷曲线之间存在着电能与电能损耗的双重等效性,在线损计算分析过程中,持续负荷曲线是主要的分析对象,所得的结论适用于对应的负荷曲线。

负荷率f是测计时段内的平均负荷与最大负荷之比,它反映了电力系统设备的平均利用情况,也是考核电力系统运行状态的重要指标。

最小负荷率B是测计时段内最小负荷与最大负荷之比。

对于配电网,损失因数的经验计算公式为F=0.3f+0.7f2或F=0.2f+0.8f2。

事实上,负荷率f并不能完全代表负荷曲线的形状,在相同的f值下,B值往往不同,则F的值也将不同,这就要求导出F与f及B的函数关系。

3.4.3由持续负荷曲线求损失因数F

对于持续负荷曲线,不同的负荷电流与对应的持续时间之间存在的关系可用概率的大小来表示。

将横轴时间变量与计算时段T（基值）相比,纵轴电流变量与电流最大值Imax（基值）相比,可得到用标幺值表示的持续负荷曲线,它反映了电流随机变量的概率规律。

随机变量的二阶原点矩等于其数学期望的平方加上随机变量的方差,方差DI为:

DI=I2rms-I2av

当负荷电流这个随机变量按Bata概率分布函数变化时,其方差Di为:

DI=（Imax-Iav）õ（Iav-Imin）2Imax+Iav-2Imin由以上推导可得:

F=I2rmsI2max=f2+（1-f）õ（f-B）21+f-2B=f-f（1-f）õ（f-B2）1+f-2B此外,也可以采用直接积分法计算损耗因数F。

4三相不平衡损耗计算

农村低压电网改造后低压电网结构发生了很大的变化，电网结构薄弱环节基本上已经解决，低压电网的供电能力大大增强，电压质量明显提高，大部分配电台区的低压线损率降到了10%以下，但仍有个别配电台区因三相不平衡负载等原因而造成线损率居高不下，给供电管理企业特别是基层供电所电工组造成较大的困难和损失，下面针对这些情况进行分析和探讨。

4.1原因分析

在前几年的农网改造时，对配电台区采取了诸如增添配电变压器数量，新增和改造配电屏，配电变压器放置在负荷中心，缩短供电半径，加大导线直径，建设和改造低压线路，新架下户线等一系列降损技术措施，也收到了很好的效果。

但是个别台区线损率仍然很高，针对其原因，我们做了认真的实地调查和分析，发现一些台区供电采取单相二线制、二相三线制，即使采用三相四线制供电，由于每相电流相差很大,使三相负荷电流不平衡。

从理论和实践上分析，也会引起线路损耗增大。

4.2理论分析

低压电网配电变压器面广量多，如果在运行中三相负荷不平衡，会在线路、配电变压器上增加损耗。

因此，在运行中要经常测量配电变压器出口侧和部分主干线路的三相负荷电流，做好三相负荷电流的平衡工作，是降低电能损耗的主要途经。

假设某条低压线路的三相不平衡电流为IU、IV、IW，中性线电流为IN，若中性线电阻为相线电阻的2倍，相线电阻为R，则这条线路的有功损耗为

ΔP1=（I2UR+I2VR+I2WR+2I2NR）×10-3

（1）

当三相负荷电流平衡时，每相电流为（IU+IV+IW）/3，中性线电流为零，这时线路的有功损耗为

ΔP2=■2R×10-3

（2）

三相不平衡负荷电流增加的损耗电量为

ΔP=ΔP1-ΔP2=■（I2U+I2V+I2W-I2UI2V-I2VI2W+I2WI2U+3I2N）R×10-3（3）

同样,三相负荷电流不平衡时变压器本身也增加损耗,可用平衡前后的负荷电流进行计算。

由此可见三相不平衡负荷电流愈大，损耗增加愈大。

三相负荷电流不平衡率按下式计算

K=■×100（4）■代表平均电流

一般要求配电变压器出口三相负荷电流的不平衡率不大于10%，低压干线及主要支线始端的三相电流不平衡率不大于20%。

可见若不平衡，线损可能增加数倍。

据了解，目前农村单相负荷已成为电力负荷的主要方面，农村低压线路虽多为三相四线，但很多没有注意到把单相负荷均衡的分配到三相电路上，并且还有一定数量的单相两线、三相三线制供电。

按一般情况平均测算估计，单相负荷的线损可能增加2～4倍，由此可知，调整三相负荷平衡用电是降损的主要环节。

4.3现场调查分析、试验情况

实践是检验真理的标准，理论需要在实践中验证。

2004年我们在庄寨供电所检查分