变压器最佳经济容量的计算

变压器最佳经济容量的计算

一、问题的引出

在整个电力系统中，从发电直到最终用户，通常要经过3～5次变压器的变压传递。因此，在电力系统中，变压器的总容量远远超过发电机组和电动机的容量。

变压器在传递电能的过程中，本身要消耗有功功率和无功功率。据有关资料表明，变压器的总电能损耗约占整个电力系统全部损失的27％左右。因此，合理的、准确的计算确定变压器最佳经济容量是降耗节能的手段之一。这里介绍变压器在最佳经济运行条件下，如何准确计算最佳经济容量及计算实例。

二、变压器主要技术数据

(1)、空载电流（I0％）

空载电流（I0％）主要是在变压器中建立起工作磁通，并且维护一次绕组中的低量损耗，所以常把空载电流I0称之为励磁电流。其大小和铁芯材质、磁路的几何尺寸及制造工艺等有关。

铭牌所给的空载电流常用百分比表示。

(2)、空载损失（P0）

空载电流I0在变压器铁芯中产生的交变磁通，由交变磁通引起涡流损失和磁滞损失。而且这两种损失都是在空载条件下产生的，与负载大小无关，所以称为空载损失（P0）又因其损失主要发生在铁芯中，故又称铁损。它与铁芯的材质和制造工艺有关。

(3)、短路电压（Uk％）

将变压器2次绕组短路，一次绕组加电源电压，使得二次绕组侧达到额定电流时，在一次绕组两端测出的电压值，称变压器的短路电压（Uk％）。

(4)、短路损失（Pk）

在额定空载条件下，其1次、2次绕组所产生的功率损失（称铜损），由于它是在短路试验方法取得的，所以称短路损失。

变压器的损失和绕组的温度有关，所以铭牌中给出的短路损失（Pk），系指在绕组温度75℃时额定负载所产生的功率损失。

(5)、无功功率损失

在空载电流I0％标定时，等式两边同乘以额定电压，可得出空载无功损失Q0 即：Q0＝I0％×Se×10－2（2—1）

同理：在短路电压Uk％，两边同乘以额定电流后，便可得到负载无功损失Qk 即：Qk＝Uk％×Se×10－2（2—2）

以上各式均按国标单位计算。

三、变压器容量的计算方法

准确计算变压器最佳经济容量，是一个与众多因素有关的复杂课题，诸如负载的大小、状态、性质、变压器的过载能力，及制造厂家的工艺水平，材料等等。在设计过程中考虑的出发点和要求不同时，选择的容量大小也会产生差异。

(1)、常规方法

根据《电力工程设计手册》，变压器容量应根据计算负荷选择，对平稳负荷供电的单台变压器，负荷率一般取85％左右。

即：β=S/Se

式中：S———计算负荷容量（kVA）；Se———变压器容量（kVA）；β———负荷率（通常取80％～90％）

(2)、按最大效率选择

根据《电机学》知识得知，当变压器最高效率出现的负荷系数，称之为最佳负荷系统。

考虑变压器长期在额定电压下,不可能满负载,为提高经济性,因此取βip＝0．5～0．6。

那么，当效率最高时，变压负荷为S，则可利用下式求出变压器的容量。

Scm=S/βip

(3)、按最佳运行条件计算

1、基本思路。

图1给出了两台变压器的损失曲线ΔP01和ΔP02，额定容量分别为Se1和Se2，且Se2＞Se1。

从图1可看出，当负荷为S1时，ΔP01＜ΔP02，则选择容量为Se1的变压器较为合理；若负荷为S2时，由于ΔP02＜ΔP01，则应选择容量为Se2的变压器较为合理。如果这时负荷S等于SLp时，则无论选择容量为Se1或者Se2都可以。其变压器的功率损失都一样。关键问题是如何确定SLP这个临界容量？

2、临界容量SLP的确定。

从图1中得知，为确定临界容量SLP，必须使两台变压器在临界容量SLP下损耗相等，并令S＝SLP，则有有功损耗最佳经济运行条件。

同理，无功损耗最佳经济运行条件为

临界经济容量SLP（SLQ）的物理意义为：当负荷实际需用变压器容量S1＜SLP时，应选择容量为Se1的变压器；反之，当实际负荷所需的变压器容量为S2＞SLP时，应选择容量为Se2的变压器。

如果在实际计算过程中，出现分别使用有功损耗临界最佳经济运行条件和无功损耗最佳经济运行条件计算出的结果相互不一致时，则应按综合功率的临界最佳经济条件SLZ来计算。

式中：P0———空载有功损耗（kW）；Pk———负载有功损耗（kW）；Q0———空载无功损耗（kvar）；Qk———负载无功损耗（kvar）；Se1———1＃变压器额定容量（kVA）；Se2———2＃变压器额定容量（kVA）；K———无功经济容量

当变压器为110 kV，K取0．1。

四、实例计算

我厂拥有一座110 kV／6．3 kV配电站，系统内有自备发电机组容量为25 MW。装置总用电负荷为16 MVA。预计我厂在较长的时间内，不会增加负荷。在正常的工况下，系统内的cosφ＝0．9。

(1)、按常规设计计算

根据三、(1)得知，对单台主变压器平稳负荷，并且负载系数取0．85，则按（3—1）式计算有

又据计算的负荷Se以及变压器产品样本选择如下型号：SFZ8－20000／110

(2)、按最大效率选择

根据三、(2)得知，最佳负荷系数βip＝0．5～0．6，取βip＝0．55，则采用式（3—3）计算求出此时变压器的容量。

根据计算结果，再查找变压器产品样本。应选择如下容量等级：SFZ8－31000／110。

上述两种计算方法，其结果选择的变压器容量相差两个容量等级。因此，还应按最佳经济运行条件来进一步核算，选择出一个较为合理的容量等级。

(3)、按最佳经济运行条件计算

因为，在按常规设计方法和按最佳经济运行条件计算，其结果分别为20 MVA和31MVA 容量等级。为了能保证配电系统今后有发展的余地，我们假设取25 MVA容量等级作为它们两者之间参考容量。

为了能有参考比较，在此分别列出20MVA和25 MVA容量等级的铭牌技术参数。并且根