三相不平衡對(duì)配網(wǎng)變壓器效率影響分析

摘要：根據(jù)變壓器效率的計(jì)算公式，指出降低銅損是提高變壓器效率的關(guān)鍵。針對(duì)銅損的兩大組成部分，即繞組的直流電阻損耗及漏磁場(chǎng)引起的渦流損耗，分析了三相不平衡對(duì)兩者的影響，得出了三相不平衡度越大，損耗越大的結(jié)論。同時(shí)，提出了提高變壓器運(yùn)行效率的措施，對(duì)于配電運(yùn)維單位做好變壓器的監(jiān)測(cè)維護(hù)工作有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：配電變壓器;三相不平衡;運(yùn)行效率;損耗

0 引言

配電變壓器損耗占配網(wǎng)整體損耗的很大一部分，因此降低配電變壓器損耗，使配電變壓器運(yùn)行在高效率區(qū)段，對(duì)于保證配網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有舉足輕重的作用。在配電變壓器運(yùn)行過(guò)程中，電壓大小、運(yùn)行溫度、三相不平衡、負(fù)載功率因數(shù)等都是影響變壓器運(yùn)行效率的因素，本文將著重分析三相不平衡對(duì)變壓器運(yùn)行效率的影響。

1 配電變壓器效率計(jì)算

根據(jù)變壓器效率的定義，其計(jì)算公式為：

式中，P1、P2分別為一次側(cè)的輸入功率及二次側(cè)的輸出功率;ΔP為變壓器總損耗，約等于鐵損PFe與銅損PCu之和。鐵損只與變壓器的電壓相關(guān)，在正常運(yùn)行時(shí)，電壓可認(rèn)為是基本不變的，因此鐵損可看成是固有損耗，近似于空載損耗。因此，提高變壓器效率主要在于降低銅損大小。

2 三相不平衡對(duì)銅損的影響

銅損主要由兩部分組成，一是繞組的直流電阻損耗，二是漏磁場(chǎng)在油箱等器件上產(chǎn)生的渦流損耗。其余雜散損耗數(shù)值較小，本文暫不討論。在三相負(fù)荷平衡時(shí)，只有很小的漏磁場(chǎng)，故與之相關(guān)的渦流損耗可忽略不計(jì)，銅損約等于直流電阻損耗。然而，在三相不平衡時(shí)，附加產(chǎn)生的直流電阻損耗、漏磁場(chǎng)增大導(dǎo)致的渦流損耗都需要加以考慮。

首先討論三相不平衡產(chǎn)生的直流電阻損耗。以配網(wǎng)中常見(jiàn)的Yyn0接線(xiàn)組別分析，其接線(xiàn)圖及零序等值電路如圖1所示。

假設(shè)變壓器一次側(cè)三相直流電阻均為R1，二次側(cè)三相直流電阻均為R2，則變壓器一次側(cè)的直流電阻損耗為：

從式（1）可以看出，當(dāng)三相負(fù)載由小變大時(shí)，造成的損耗也會(huì)隨之增加，跟隨負(fù)載變化而變化的損耗可稱(chēng)之為負(fù)載損耗。同時(shí)，三相不平衡運(yùn)行也從另一方面產(chǎn)生損耗疊加在負(fù)載損耗之上。從數(shù)學(xué)的角度，在I2 A+I2 B+I2 C最小時(shí)，對(duì)應(yīng)的必然是三者相等的情況，對(duì)應(yīng)實(shí)際即是三相平衡的工況。為方便討論，設(shè)算例中R1=1，IA=1，IB=1.3，IC=0.7，可得：

而三相平衡時(shí)，Pk1=1，可以看出，三相不平衡造成了直流電阻損耗的增加。有學(xué)者指出，在更具體的量化計(jì)算中，計(jì)及兩側(cè)的損耗增加量為：

繼續(xù)討論漏磁場(chǎng)增大導(dǎo)致的渦流損耗。三相變壓器鐵芯有三柱式、四柱式等形式，配電變壓器一般采用三相三柱的結(jié)構(gòu)形式，這種形式的特點(diǎn)是三相繞組共用鐵芯，零序磁通沒(méi)有通道流通，因此零序電流產(chǎn)生的零序磁通在鐵芯中不能形成回路，全都以漏磁通的形式通過(guò)鐵芯以外的油箱等器件形成閉合回路。當(dāng)零序磁通穿過(guò)回路中的鐵磁材料時(shí)，會(huì)在材料內(nèi)部感應(yīng)出渦流，進(jìn)而帶來(lái)?yè)p耗。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即是由零序電流產(chǎn)生的零序損耗。根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法，零序電流為：

理想情況下，變壓器三相平衡運(yùn)行時(shí)，三相電流的相量和為零，不存在零序電流，也不會(huì)產(chǎn)生零序磁通及渦流損耗。但當(dāng)三相出現(xiàn)不平衡時(shí)，零序電流也隨之出現(xiàn)并帶來(lái)?yè)p耗。隨著不平衡程度的增大，零序電流及渦流損耗也會(huì)大幅增加。零序損耗可量化為：

式中，R0是經(jīng)測(cè)量得到的零序電阻。

在相關(guān)團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)研究中，得出了在不同的不平衡度下各類(lèi)損耗的占比。不同平衡度條件下的各類(lèi)損耗占比如圖2所示，可以看出，空載損耗始終不變，負(fù)載損耗隨著不平衡度的增加也有一定幅度的增長(zhǎng)，而由三相不平衡造成的零序損耗在不平衡度增大的情況下急劇提升，其影響遠(yuǎn)大于其他兩類(lèi)損耗。

3 提高配電變壓器運(yùn)行效率的措施

基于以上分析結(jié)果，在變壓器設(shè)計(jì)、運(yùn)維等階段，應(yīng)盡量使三相平衡，這是降低變壓器損耗、提高變壓器運(yùn)行效率的有效方法。具體來(lái)說(shuō)，可以采用以下措施：（1）網(wǎng)架建設(shè)時(shí)，6戶(hù)以上不宜使用單相供電方式，盡量使用戶(hù)用電三相平衡;（2）加強(qiáng)用戶(hù)管理，掌握臨時(shí)用電客戶(hù)的情況，合理分配負(fù)荷;（3）重視無(wú)功補(bǔ)償裝置的管理，利用無(wú)功補(bǔ)償促進(jìn)三相平衡;（4）視情況采用相間耦合電抗器對(duì)不平衡負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，降低三相不平衡度;（5）重視中性線(xiàn)電流的測(cè)量與監(jiān)視，中性線(xiàn)電流作為三相不平衡的直接表征，電流值有異常變化時(shí)要立即采取措施;（6）優(yōu)化配電變壓器的設(shè)計(jì)及制造工藝，降低渦流損耗;（7）電氣企業(yè)在開(kāi)展工程建設(shè)時(shí)，優(yōu)先采用S11系列等低損耗變壓器。

4 結(jié)語(yǔ)

三相不平衡與變壓器運(yùn)行效率間存在緊密的聯(lián)系，不平衡度越高，變壓器損耗越大，變壓器運(yùn)行效率就越低。為建設(shè)綠色電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)降本降耗的目標(biāo)，電力企業(yè)應(yīng)采取多種措施使三相負(fù)荷盡量平衡。

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收稿日期：2020-03-21

作者簡(jiǎn)介：賴(lài)哲（1990—），男，廣東茂名人，工程師，研究方向：配網(wǎng)運(yùn)維。