配电台区节能效益分析.docx
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配电台区节能效益分析
配电台区节能分析
变压所或配电台区的设计容量,一般要考虑到5-10年的发展规划需要,因此设计容量一般较大,而且负荷特别是农村负荷存在季节性强、时间性强、峰谷差大,年利用率低,全年轻载甚至空载时间长,“大马拉小车”现象明显,导致了配电变压器空载损耗约占整个10kV配电损耗的40%左右。
另外三相负荷不平衡,低压无功补偿的不足,均造成了配电损耗的增加。
一、调容变压器有功损耗分析
单台变压器运行时有功损耗值为:
P=P0+PK(S/SN)2
P:
有功损耗值;P0:
空载有功损耗值;PK:
负载有功损耗值,即短路损耗;S:
实际视在功率;SN:
视在功率额定值,即变压器额定容量。
不同容量的变压器即SN不同,而且P0,PK也不相同,变压器容量越大空载损耗P0和负载损耗PK越大,因此对于同样的负荷,使用不同容量的变压器供电,有功损耗值也是不同的。
有功损耗值的大小是负荷的二次函数。
不同容量变压器的损耗对应不同的二次函数。
两个不同二次函数的交点即是不同容量变压器,在负荷大小相同时,容量也相同的交点,在此交点前后变压器损耗都不同。
S11型200kVA变压器同63kVA变压器的有功损耗曲线如下:
在负荷约为30-40kVA时,用S11型200kVA变压器同63kVA变压器,有功损耗基本相同,但当负荷小于30kVA时,使用63kVA变压器,变压器的损耗将明显下降。
在变压器轻载和或空载条件下,63kVA变压器同200kVA有功损耗对比如下表1:
(200kVA变压器,空载损耗340W,负载损耗2730W;63kVA变压器,空载损耗150W,负载损耗1040W)
表1
负荷大小
0kVA
10kVA
20kVA
30kVA
200kVA变压器损耗
340W
347W
367W
401
63kVA变压器损耗
150W
176W
255W
386
63kVA损耗降低百分比
56%
49%
31%
4%
由上可知,当大容量变压器轻载和空载时,采用小容量变压器供电,损耗将大大降低。
使用调容变压器和子母变压器都可实现此功能,一般315kVA以下变压器采用调容变压器比采用子母变压器更加节约成本,而且节能效果更明显。
更大容量的变压器因为调容变压器制造工艺的困难,性价比并不高,用子母变实现调容更加合适。
采用子母变,实际上要同时安装两台变压器,因此投入较大,小容量变压器,常采用调容变压器。
调容变压器是在原调压变压器的基础上,高压侧采用高压绕组的“D”、“Y”变换,同时对低压侧进行“并联”、“串联”变换。
因为变压器变为小容量时,高压侧进行的“D”、“Y”变换,将使变压器的每匝电压降低为原来的1/√3,空载损耗降低为原来的1/3。
同时,高压等效电阻也因“D”、“Y”变换将增大为原来的3倍,低压侧占低压匝数73%的并联段,改为了串联段,使低压侧电阻增大了3.19倍,根据高低压分别占负载损耗值的55%,45%折算,经过调容,变压器电阻约增加了3倍,但对于63kVA的变压器,其额定电流将减少为原电流的31.5%,因此经200kVA变换的变压器的63kVA将分别减小为113W和813W。
由上可知,调容型变压器变为63kVA比常规S11型63kVA,空载损耗降低约25%,负载损耗降低约22%。
代入损耗计算公式,表1将变为表2。
表2
负荷大小
0kVA
10kVA
20kVA
30kVA
200kVA变压器损耗
340W
347W
367W
401W
63kVA变压器损耗
113W
133W
194W
297W
63kVA损耗降低百分比
67%
62%
47%
26%
由上表可知,调容变压器损耗降低更加明显。
当负荷小于40kVA时,即可采用小容量变压器供电。
同理315kVA调容为100kVA变压器,空载和轻载时损耗如表3所示。
表3
负荷大小
0kVA
20kVA
40kVA
60kVA
200kVA变压器损耗
480W
495W
542W
619W
63kVA变压器损耗
160W
206W
345W
577W
63kVA损耗降低百分比
67%
58%
36%
7%
当负荷约小于65kVA时,采用小容量变压器供电已较经济。
当容量较大时,可采用子母变型式供电,为降低成本可将子母变压器安装在同一油箱内。
例如使用S11型500/125的变压器,可将500kVA变压器同125kVA的变压器安装同一油箱内。
当负荷较小时125kVA的变压器供电,当负荷较大时采用500kVA变压器供电,当负荷更大时采用500kVA变压器同125kVA的变压器并联来供电。
子母变的损耗如下图所示。
当负荷低压约65kVA时采用125kVA的变压器供电;当负荷大于85kVA但小于300kVA时,采用500kVA变压器供电,当负荷大于300kVA时采用并联运行供电最为经济。
上述运行分界交点,是不同变压器运行曲线二次函数的交点。
采用630kVA变压器,同采用500kVA/125kVA子母变压器供电相比,空载或轻载条件下,损耗表如下:
表4
负荷大小
0kVA
40kVA
80kVA
120kVA
500/125
kVA调容变压器损耗
240W
424W
812W
977W
630kVA变压器损耗
810W
835W
910W
1035W
630kVA损耗降低百分比
70%
49%
11%
6%
二、调容变压器无功损耗分析
变压器的无功损耗分析同有功损耗分析类似。
变压器励磁阻抗上的损耗的无功即为空载无功,当调容变压器,高压阻抗因“D”、“Y”变换,等效励磁阻抗值增大为原来的3倍,因此无功损耗也将仅变为原负荷的1/3。
实际上由于铁芯硅钢片磁导率的非线性,在电压较低时,磁导率更大,使小容量时,励磁阻抗变得更大,空载无功损耗值更小。
满载时,变压器的无功损耗主要取决于变压器的短路阻抗,即漏电抗,因变压器的短路阻抗在“D”、“Y”变换后,等效短路阻抗值增大也将为原来的3倍,小容量时的额定阻抗值约是大容量的3倍,因此短路阻抗百分比不变,即原为4%,现仍为4%。
小容量满载时,额定电流仅为大容量额定电流的约1/3,因此小容量时满载的无功损耗为大容量满载时额定无功的1/3。
变压器无功损耗也是负载的二次曲线,因此变压器在空载和轻载时,小容量运行必然损耗更小的无功。
三、变压器经济效益分析
以200kVA变压器为例,变压器一年运行按360天,每天运行24小时,由于空载损耗(即铁耗)在变压器运行期间一直存在,故全年空载小时数为8640;变压器年运行平均负载为满载的按0.5,根据负载损耗(即铜耗)与电流的平方成正比的规律,则实际负载损耗为额定负载损耗的1/4,则等效满载小时数为360×24×1/4=2160。
普通200kVA变压器年总损耗P1=8640×(P0+0.05×I0×Sn/100)+2160×(Pk+0.05×Uk×Sn/100)计算,其中,8640、2160分别为全年空载小时数、等效满载(负载系数0.5)小时数,P0、Pk分别为空载损耗(kW)、负载损耗(kW),I0为空载电流百分数,Uk为短路阻抗百分数,Sn为额定容量。
则:
S9型变压器:
P1=8640×(0.48+0.05×1.5×200/100)+2160×(2.730+0.05×4×200/100)=12204kW·h
S11型变压器:
P1=8640×(0.34+0.05×1.5×200/100)+2160×(2.730+0.05×4×200/100)=10994kW·h
SH15型非晶变压器:
P1=8640×(0.12+0.05×0.7×200/100)+2160×(2.730+0.05×4×200/100)=8402kW·h
采用自动调容变压器,1年中在小容量运行按9个月,在大容量运行3个月,则200(63)kVA调容变压器年总损耗
P2=【8640×(0.34+0.05×1.5×200/100)+2160×(2.730+0.05×4×200/100)】×3/12+【8640×(0.110+0.05×0.7×63/100)+2160×(1.04+0.05×4×63/100)】×9/12=6248kW·h
几种变压器的经济效益分析如下:
变压器型号(100kVA)
空载损耗(W)
空载电流(%)
负载损耗(W)
短路阻抗(%)
空载小时数(h)
等效负载小时数(h)
年运行耗能(kW·h)
20年运行耗能(kW·h)
S9
290
1.8
1580
4
8640
2160
8338
166752
S11
200
1.8
1580
4
8640
2160
7560
151200
S11-T
200
67
1.8
0.8
1580
1040
4
8640
2160
5324
106488
SH15
75
1
1580
4
8640
2160
5789
115776
变压器型号(200kVA)
空载损耗(W)
空载电流(%)
负载损耗(W)
短路阻抗(%)
空载小时数(h)
等效负载小时数(h)
年运行耗能(kW·h)
20年运行耗能(kW·h)
S9
480
1.5
2730
4
8640
2160
12204
244080
S11
340
1.5
2730
4
8640
2160
10994
219888
S11-T
340
110
1.5
0.7
2730
1040
4
8640
2160
6248
124956
SH15
120
0.7
2730
4
8640
2160
8402
168048
变压器型号(315kVA)
空载损耗(W)
空载电流(%)
负载损耗(W)
短路阻抗(%)
空载小时数(h)
等效负载小时数(h)
年运行耗能(kW·h)
20年运行耗能(kW·h)
S9
670
1.4
3830
4
8640
2160
16135
322704
S11
480
1.4
3830
4
8640
2160
14494
289872
S11-T
480
160
1.4
0.7
3830
1480
4
8640
2160
8419
168372
SH15
170
0.5
3830
4
8640
2160
11038
220752
可见,单台200kVA调容变压器
较S9型变压器年节能12204-6248=5956kW·h,20年节能119120kW·h
较S11型变压器年节能10994-6248=4746kW·h,20年节能94920kW·h
较SH15型非晶变年节能8402-6248=2154kW·h,20年节能43080kW·h
可知,调容变压器是节能效益最佳的变压器。
四、电压对变压器损耗的影响
●变压器电压升高与空载损耗变化的关系
变压器的空载损耗包括铁芯中磁滞和涡流损耗及空载电流在初级线圈电阻上的损耗,前者称为铁损后者称为铜损。
由于空载电流很小,后者可以略去不计,因此,空载损耗基本上就是铁损。
影响铁损的因素很多,以数学式表示,则
Pfe=Pn+Pw=knfBmn+kwf2Bm2
式中Pfe、Pn、Pw——表示磁滞损耗和涡流损耗kn、kw——常数
f——变压器外施电压的频率
Bm——铁芯中最大磁通密度
n——什捷因麦兹常数,对常用的硅钢片,当Bm=(1.0~1.6)时,n≈2,对目前使用的方向性硅钢片,取2.5~3.5。
由上可知变压器的空载损耗至少同铁芯中的磁通密度的最大值的平方成正比例关系。
由变压器的感应电压公式:
E≈U=4.44fNBmS
式中E——变压器感应电压
U——变压器端电压
S——变压器铁芯有效面积
由上式可知,在变压器工作电压升高时,其磁通密度最大值也随之升高。
且同电压成正比例。
磁通密度的升高带来空载损耗成平方比例升高。
以某S11-200/10型变压器为例:
电压升高前后的计算损耗值如下:
额定电压Un时
1.05Un时
1.1Un时
1.15Un时
1.2Un时
损耗值:
340W
383W
427W
485W
552W
空载损耗倍率:
1.126
1.256
1.426
1.623
由上表可知变压器端电压的提高,必然引起空载损耗的显著提高。
●变压器电压升高与负载损耗变化的关系
变压器的负载损耗主要是电流在初、次级线圈电阻上的铜损。
因此,负载损耗基本上同负载电流的平方生正比。
当总负载阻抗不变时,负载电流的大小同电压成正比。
因此当总负载不变时,负载损耗同电压的平方成正比。
当电压升高到1.05倍,负载损耗提高到了1.103倍,当电压升高到1.1倍时,负载损耗提高到了1.21倍。
●变压器电压升高与总损耗变化的关系
由有功损耗公式上可知,当变压器的空载损耗和负载损耗同电压的平方成正比时,变压器的总损耗也近似同变压器的平方成正比。
●变压器电压升高与无功损耗的关系
1.1变压器电压升高与空载无功损耗变化的关系
变压器的空载无功损耗的大小,同变压器的端电压、磁化电流大小成正比。
而磁化电流的大小,直接取决与磁通密度最大值,而根据变压器感应电压公式,可知磁通密度的最大值取决于变压器的端电压,因此变压器无功损耗的大小也至少同变压器的端电压的平方成正比。
以S11-200/10型变压器为例:
空载无功损耗在电压升高前后的计算值如下:
额定电压Un时
1.05Un时
1.1Un时
1.15Un时
1.2Un时
损耗值:
711var
877var
1105var
1437var
1988var
空载无功损耗倍率:
1.233
1.554
2.021
2.796
由上表可知变压器端电压的提高,必然引起空载无功损耗的更显著提高。
1.2变压器电压升高与负载无功损耗变化的关系
变压器的负载无功损耗是变压器的漏电抗引起的,因变压器的漏电抗不变,此变压器的负载无功损耗同变压器的端电压平方成正比。
1.3变压器电压升高与总损耗变化的关系
Q=Q0+Qk×(S/Sn)2
式中Q——变压器总无功损耗
Q0——变压器空载无功损耗≈Sn×I0(%)/100,I0:
空载电流
Qk——变压器负载无功损耗≈Sn×UK(%)/100,Uk:
短路阻抗
S——实际视在功率
Sn——变压器视在功率额定值。
由上可知,当变压器的空载无功损耗和负载无功损耗同电压的平方成正比时,变压器的总无功损耗也同变压器的平方成正比。
●低电压运行的危害性
l烧坏电机。
电压降低超过l0%时,将使电动机的电流过大,线圈的温度过高,严重时会使电动机拖不动机械(如风机、水泵等)而停止运转或无法启动,甚至烧坏电动机。
2电灯发暗。
电压降低5%,普通电灯的照度降低18%;电压降低10%,则照度降低约35%。
3增大线损。
在输送一定电力时,电压降低,电流增大,线损也相应增大。
以最高负荷为100万kW的电力系统为例,每年线损电量增大约5000万kW.h。
4送变电设备能力减低。
例如电压降低到额定值的80%时,变压器和线路输送的有功负荷只有额定容量的64%。
如把电压提高到额定值,基本不送无功,则关变电设备的全部额定容量可用于送有功负荷。
由上可知设备高电压运行和低电压运行均能增加损耗,因此变压器必须具备调压功能,才能进一步降低损耗。
五、无功补偿设备对节能的作用
多数设备能够正常工作,必须从电网中吸收有功的同时,也要吸收无功。
无功在电网中的传输,也会增加线损,而且会降低输配电设备的利用率。
因此在靠近负荷的地方,安装无功补偿装置就可以降低传输无功的损耗。
以200kVA变压器附近,安装72kvar补偿装置,无功经济当量为0.06(依据GB12497),补偿投入率按30%估算,其年节能效益为:
72kvar×30%×0.06×24h×365d≈11352度
六、三相不平衡损耗分析
三相不平衡,对损耗的影响,可以举一个简单的例子,假设负荷电流为3A,均由变压器A相提供,变压器内阻1Ω,则变压器损耗为9W,但电流由三相均匀负担,即每相流过电流1A,则变压器损耗仅为3W。
我们以平均负荷不平衡率为50%估算,仅变压器铜损的增加即达17%,对于一台200kVA的S11型变压器,则调整不平衡电流每年的降损效益为:
2.73kW×24h×365天×17%≈4065度
通过相间并联电容器的办法,既可以补偿部分无功,又可有效对转移,相间有功电流。
因此在无功补偿的同时兼顾不平衡补偿对降损节能的效果也十分明显。
因此配电台区,配备调容调压的变压器,具有的三相不平衡调节功能的无功补偿装置是节能降损的最佳选择。
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