基于电阻损耗计算配电变压器负载损耗的算法_陈大伟.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering159变压器是输配电的基础设备，广泛应用于工业、农业、交通、城市社区等领域。我国在网运行的变压器约 1700 万台，总装机容量约 110 亿千伏安。变压器损耗约占输配电电力损耗的 40%，目前在运能效三级以下的老旧变压器约占在网运行变压器的 60%，而达到先进和节能水平的变压器合计仅占在运变压器的 5%左右，具有较大节能潜力。为加快高效节能变压器推广应用，提升能源资源利用效率，推动绿色低碳和高质量发展，2020 年 12 月 22 日工业和信息化部、市场监管总局、国家能源局联合制定了变压器能效提升计划（2021-2023年）1，到 2023 年，高效节能变压器符合新修订 GB 20052-2020电力变压器能效限定值及能效等级2中 1 级、2 级能效标准的电力变压器在网运行比例提高10%，当年新增高效节能变压器占比达到 75%以上。推动企业实施节能技术改造，加快淘汰不符合国家能效标准要求的变压器。目前我国在 2021 年发布了电力行业标准 DL/T 2269-2021 配电变压器退运与再利用评价导则3，并结合 DL/T985-2012配电变压器能效技术经济评价导则4对电网中运行的配电变压器进行有序的退运和更换，这两份标准中均以变压器损耗为考核的重要指标，但是一些特殊场地安装的变压器型号中并没有损耗代号，如：执行 CB/T3528-2013海洋平台变压器5标准的变压器其型号中并没有损耗代号（如型号：PSCD-200、PSCB-500/10 等），或安装在室外的配电变压器其型号铭牌未标注损耗代号，那么如何确定在网运行的变压器能效等级以便除电网以外的钢铁、石化、化工、有色、建材等重点行业相关部门开展变压器专项监察，按计划退运（退投）高损耗的变压器，鉴于此，本文对配电变压器的绕组电阻计算出电阻损耗，以此确定配电变压器的能效等级，对确定在网运行的配电变压器的能效等级，退运高损耗变压器有重要的指导作用。1 节能型变压器带来的社会面与经济面效益节能型变压器的经济面效益：国际上有许多评价变压器能效的方法，所有的方法都要求比较变压器价格及其损耗费用。TOC 法在美国于 1981 年发展成为工业标准。按照 TOC 标准购置变压器一直沿用至今。根据DL/T985-2012配电变压器能效技术经济评价导则中供电企业的配电变压器综合能效费用计算用下式计算：CI设备的初始费用，元；A变压器空载损耗等级初始费用系数，元/kW；B变压器负载损耗等级初始费用系数，元/kW；PO变压器额定空载损耗，kW；PK变压器额定负载损耗，kW；PQ无功经济当量，按变压器在电网中位置取值，一般 35kV 配电变压器的取值范围为 0.02 KQ 0.05，10kV 配电变压器的取值范围为 0.05 KQ 0.1；I0变压器额定空载电流，%；UK变压器额定短路阻抗，%；Se变压器额定容量，kVA；CN因配电变压器损耗增加的上级电网建设综合投资，元按照上式，DL/T985-2012配电变压器能效技术经济评价导则的附录 C 中用 TOC 法曾比较过普通配电变压器和节能型配电变压器的经济效益，比较结果说明了在同样运行条件下，相同容量的两台配电变压器，节能型配电变压器的单价虽然比普通配电变压器高，但损耗指标比低，因此购买节能型配电变压器所多支付的资基于电阻损耗计算配电变压器负载损耗的算法陈大伟李效平赵琦李洪亮（山东省产品质量检验研究院 山东省济南市 250102）摘要：本文提出了一种新的基于电阻损耗计算负载损耗计算算法，以此算法原理为根据推算出变压器负载损耗，从而判断变压器是否符合国标中的能效等级要求。经计算结果表明，该算法可快速而高效地计算出变压器负载损耗，可为现场电源容量不足的情况下，为客户判定该变压器是否为节能型变压器提供重要技术基础。关键词：能效等级；负载损耗；计算算法电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering160金可以在 2 3 年内从节约的损耗电费中收回。如果挂网运行 5 年的综合费用相比普通配电变压器可节约 1.6万余元，经济效益明显。节能型变压器社会面效益：2021 年 7 月 15 日，在沈阳召开的“变压器能效提升推进会”上，变压器产业链百家单位“全面提升变压器能效 开启节能低碳新征程”6的共同行业“T100 倡议”倡议郑重承诺：力争到 2023 年增加 15 亿千伏安高效变压器容量，降低电能损耗约 105 亿千瓦时，相当于减少二氧化碳排放 640 万吨。实现电力设备资源充分利用，节约电网投资，降低社会资源消耗，具有节能减排、助力实现“双碳”和保护环境的巨大效益。2 变压器的损耗分类变压器从整体结构上来讲，主要由一次绕组线圈、二次绕组线圈和铁心组成，由于材料的选择、铁心结构以及制造工艺不同，会引起各种变压器的损耗差异，对于同一台变压器来讲，由于使用条件不同，负载系数不同，因此有不同的损耗值。从变压器的损耗角度来讲，变压器的损耗包括：铁损耗、铜损耗、电介质损耗和杂散损耗等。其中电介质损耗和杂散损耗等测定比较困难，而且损失数值偏小，在实际的使用中这部分损耗影响可以忽略不计。铁损耗通常指变压器的空载损耗包括铁心材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗等几部分。磁滞损耗通常指铁磁材料在反复磁化过程中由于磁滞现象所产生的损耗。磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积成正比。微观地来看，磁滞损耗与硅钢片内部的结晶方位、结晶纯度、内部晶粒的畸变等因素都有关系。由于磁滞回线的面积又与最大磁密 Bm 的平方成正比，因此磁滞损耗约和最大磁密 Bm 的平方成正比。此外，磁滞损耗是由交变磁化所产生，所以它的大小还和交变频率 f 有关。涡流损耗通常指由于铁心本身为金属导体，电磁感应现象所感生的电动势将在铁心内产生环流，即为涡流。由于铁心中有涡流流过，而铁心本身又存在电阻，故引起了涡流损耗。附加铁损是指主要与变压器的结构及生产工艺等有关。所以无论什么类型的变压器都存在附加铁损，只不过有大小的差别而已。通常，引起附加损耗的原因主要有：（1）磁通波形中有高次谐波分量，它们将引起附加涡流损耗；（2）由于机械加工所引起的磁性能变坏所导致损耗增大；（3）在铁心接缝以及芯柱与铁轭的 T 型区等部位所出现的局部损耗的增大等。JB/T 501-2021电力变压器试验导则7中规定的空载损耗的测量方法：3 变压器的损耗测量方法测量时，首先变压器的温度接近试验时的环境温度。通常由被试品的低压侧施加额定频率的额定电压，并应尽可能为对称的正弦波电压，其余绕组开路；如果施加电压的绕组是带有分接的，应使分接开关处于主分接的位置；如果被试品绕组中有开口三角形连接绕组，应使其闭和。运行中的地电位处（分级绝缘变压器其中性点、铁心、夹件等）和油箱或外壳应可靠接地。对于三相变压器，选择接到试验电源的绕组和联结方式时，应尽可能使三个心柱上出现对称的正弦电压。如图 1 所示。试验电压的施加应零起升压，在升压过程中应连续观察所有测量仪表的指示状况，尤其在测量过程中，注意剩磁对测量结果的影响，在测量仪器和试验设备不过载的情况下，先对被试品进行 110%额定电压励磁，降压时尽可能降到零电压，然后进行额定电压励磁，保持几分钟，待损耗和电流没有下降的趋势，进行测量记录。励磁电压应以平均值电压表的读数 U 为准，该读数与图 1：三相变压器空载试验接线示意图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering161方均根值电压表的读数 U 具有同一刻度。如果 U 与 U相差 3%以内，按照 Po=Pm(1+d)公式校正，其中 Po 为校正后的空载损耗，Pm为测量的空载损耗，d=(U-U)/U。如果 U 与 U 相差不大于 3%，则此电压的波形满足试验要求。如果 U 与 U 相差大于 3%，应确认试验的有效性。在高于额定电压时，可以接受超过 3%的读数差，但测量值属于保证值的情况除外。以上试验条件在安装场现场通过便携式检测设备，可以直接进行直接测量空载损耗。4 负载损耗的测量及计算负载损耗 Pk主要由电阻损耗 Pr和附加损耗 PS两部分组成，绕组中的电阻损耗 Pr这是负载损耗中的主要部分，此外还有因绕组电流产生的漏磁场引起的附加损耗PS，电阻损耗 Pr可以用计算方法算出，但是准确的附加损耗 PS值只能用试验的方法求得。对于一定结构形式的变压器来说，我们通过实践了解到，PS只占 Pr的一定比例：630kVA以下小容量变压器的PS占Pr的16%，8000kVA 以上的大容量变压器 PS占 Pr的 10 20%，甚至还要大。所以，本文仅对小容量的配电变压器负载损耗的测量计算进行讨论。负载损耗在 JB/T 501-2021电力变压器试验导则中规定测量负载损耗应不小于额定电流的 50%，在网运行的配电变压器由于这安装位置的特殊性，在安装场地一般情况下没有大容量的试验电源，无法直接测量出负载损耗。由于在网运行的配电变压器量大，不能都拉到试验室进行检测，由于受到环境条件的限值，为了解决上述问题，本文提出可以通过首先测量绕组的直流电阻，然后计算出电阻损耗 Pr，并通过下以公式，计算出负载损耗：Pr电阻损耗，kW；K系数，%（见示例）PK负载损耗，kW；可以通过首先测量绕组的直流电阻，通过便携式直流电阻测量设备测量绕组的电阻值，通过电阻值计算出电阻损耗 Pr，然后根据测量绕组的电阻值，按下式计算绕组 75下的电阻值：式中：1稳定的环境温度下的绕组温度；2绝缘等级 A 级 75、绝缘等级 F 级 120R1稳定环境温度下的绕组电阻值；R22的绕组电阻值。根据计算出来的 2下的电阻值,对于典型的双绕组三相变压器一对绕组的电阻损耗应为两绕组电阻损耗之和，计算方法见下式：（Y 或 YN 联结的绕组）（D 联结的绕组）式中：Pr电阻损耗，kW；Ir额定电流，A；Rxn线电阻，；Rxg相电阻，。5 算法的验证及应用示例系数 K 的计算示例：变压器型号为 S13-M-400/10，联结组别为 Dyn11,绝缘等级 A 级，高压侧额定电流23.09A，低压侧额定电流 577.35A。测量环境温度为24.65，首先通过直流电阻测试仪进行直流电阻测量，所测得的结果为：变压器在主分接位置，高压侧电阻为2.468，低压侧 bc 相电阻为 2.965 m。将所测量的电阻值计算 75下的电阻：得到高压侧电阻 R2 为 2.947，低压侧 bc 相电阻为 3.540 m，将此电阻计算出电阻损耗：计算出该变压器的电阻损耗为 4127.6W。通过变压器损耗测试仪进行损耗测量，测量结果为4358W,电阻损耗与实测负载损耗相差比值为 5.29%。该值为此变压器的系数 K。通过上述计算过程，我们将部分配电变压器绕组电阻损耗和实测负载损耗实例的计算结果公示如表 1 所示。电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering162表 1：计算结果变压器型号电阻损耗(W)负载损耗(W)相差比值K(%)SC10-50/10/0.41011.5910200.82451S20-M.RL-50/10662.876711.21162S20-M.RL-100/101143.4311672.01971S20-M.RL-100/101133.9611622.41308S20-M-100/101157.1412013.65196S11-M-100/101576.2616212.76002S11-M-100/10.51522.3615682.91071SBH15-M-100/101497.02