對變壓器運行效率與經濟管理問題的探討
一、變壓器運行的效率損失與計算
1.效率損失
變壓器運行過程中的效率損失主要來自兩大方面，即銅損與鐵損。銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗。當電流通過線圈電阻發熱時，一部分電能就轉變為熱能而損耗。由於線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損。變壓器的鐵損包括兩個方面：一是磁滯損耗。當交流電流通過變壓器時，通過變壓器矽鋼片的磁力線的方向和大小會隨之變化，使得矽鋼片內部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。二是渦流損耗。當變壓器工作時，鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產生感應電流，由於這一電流自成閉合迴路形成環流且成旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使鐵芯發熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。變壓器的效率與變壓器的功率等級有著密切關係，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。[1]
2.效率計算
變壓器的效率可以用以下公式計得：變壓器的效率=輸出功率/輸入功率×100%。其中，因為輸入、輸出的能量都是電能，所以也可以用功率=VI來計算輸出、輸入功率。如果變壓器的效率是100%，通常稱其為理想變壓器（Ideal Transformer）。在該情形下：輸入功率=輸出功率，即VP 地址=VS IS。然而在現實中，能量轉換過程中有能量損耗是在所難免的（如會產生熱能），也可以用一般的方法來提升變壓器的效率，包括：線圈度使用較粗的導線，因為粗導線的電阻比較細，所以導線中的能量損耗都會較細；使用軟鐵心，因為軟鐵心比較容易磁化同退磁，在傳遞磁場時的能量損耗會較低；把軟鐵芯切成不相通的薄片，這是因為磁力會和鐵芯度產生環回電流（Eddy Currents），導致能量化成熱併流失至外界。
二、變壓器經濟運行的方案選擇
GB/T1346292對變壓器經濟運行區確定的原則是：變壓器在額定負載條件下的運行區應屬於經濟運行區。因此，變壓器經濟運行區的上限值定為負荷率等於1，經濟運行區的下限值所對應的效率應與經濟運行區的上限值的效率相等，其計算公式推導如下：
1.變壓器國標經濟運行區的上下限
一是變壓器經濟運行區上限的效率。變壓器效率的一般計算公式為：
（1）
式中：U*=U/Ur為變壓器運行電壓標么值；U為變壓器運行電壓；Ur為變壓器的額定電壓；ΔP0為變壓器空載試驗損耗；ΔPk為變壓器短路試驗損耗；β為變壓器的負荷率；Sr為變壓器的額定容量；cosφ為變壓器的功率因數。
將額定工況條件β=1，U*=1代入（1）式，得：
（2）
二是經濟運行區下限值的效率計算公式。變壓器處在經濟運行區下限值時的效率公式為：
（3）
令η2=η1，即（3）式與（2）式相等，解得：
（4）
由（4）式可知，變壓器經濟運行區的負荷率下限值與變壓器空載試驗損耗成正比，與變壓器短路試驗損耗成反比，還與變壓器運行電壓標么值的平方成正比，也就是說運行電壓升高時，經濟運行區負荷率下限值會增大。說明變壓器的運行電壓對其經濟運行區的寬度有影響。[2]
三是大馬拉小車的判據。根據式（4）計算出變壓器經濟運行區負荷率的下限值，當負荷率小於經濟運行區負荷率下限值時可以判定變壓器處於大馬拉小車工況。
2.變壓器經濟容量的選擇
根據變壓器經濟運行區的上下限確定其經濟容量，使變壓器實際運行的工作點不超出經濟運行區間。
按最大負荷選擇容量，條件是：
（5）
按最小負荷校驗容量，條件是：
（6）
如果（5）、（6）兩式均成立，則所選擇的容量為經濟容量，變壓器運行時不會超出經濟運行區間。
三、構建變壓器經濟運行的監測系統
變壓器經濟運行的監測系統主要包括兩大部分，即變壓器感測記錄器與資料讀取器。變壓器感測記錄器的重點內容在於中央處理器的配置。中央處理器是變壓器感測記錄器的控制中樞，整合各硬體模塊輸入、輸出的資料。相較於變壓感測器，資料讀取器的設置更為複雜。資料讀取器的主要功能是供巡檢人員以無線電方式讀取感測記錄器中的資料。資料讀取器以PDA作為工作平台，因此，對於資料讀取器的工作重點，主要注重於PDA上設計資料讀取軟體及設定儲存介面，各軟體模塊應包含如下功能：
一是介面整合管理模塊。介面整合管理模塊為資料讀取器的開始，資料讀取器的所有軟體模塊功能均是由此進入執行，主要用來統合各項軟體模塊的功能，各項功能選項均會整合在該管理模塊裡面，程序介面會顯示各項模塊的名稱，目的是方便巡檢人員清楚地了解操作資料讀取器。
二是資料讀取模塊。該模塊包含兩種主要功能介面：一是即時讀取，該介面可以即時讀取變壓器該時刻的電流、溫度及時間資料，並通過人性化的視窗介面顯示在PDA上，可以讓巡檢人員立即得知該時刻變壓器的所有負載情況；二是讀取資料的初步整理，即將複雜繁瑣的資料進行歸類與篩選，從而便於下一步的操作。
一、變壓器運行的效率損失與計算
1.效率損失
變壓器運行過程中的效率損失主要來自兩大方面，即銅損與鐵損。銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗。當電流通過線圈電阻發熱時，一部分電能就轉變為熱能而損耗。由於線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損。變壓器的鐵損包括兩個方面：一是磁滯損耗。當交流電流通過變壓器時，通過變壓器矽鋼片的磁力線的方向和大小會隨之變化，使得矽鋼片內部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。二是渦流損耗。當變壓器工作時，鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產生感應電流，由於這一電流自成閉合迴路形成環流且成旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使鐵芯發熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。變壓器的效率與變壓器的功率等級有著密切關係，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。[1]
2.效率計算
變壓器的效率可以用以下公式計得：變壓器的效率=輸出功率/輸入功率×100%。其中，因為輸入、輸出的能量都是電能，所以也可以用功率=VI來計算輸出、輸入功率。如果變壓器的效率是100%，通常稱其為理想變壓器（Ideal Transformer）。在該情形下：輸入功率=輸出功率，即VP 地址=VS IS。然而在現實中，能量轉換過程中有能量損耗是在所難免的（如會產生熱能），也可以用一般的方法來提升變壓器的效率，包括：線圈度使用較粗的導線，因為粗導線的電阻比較細，所以導線中的能量損耗都會較細；使用軟鐵心，因為軟鐵心比較容易磁化同退磁，在傳遞磁場時的能量損耗會較低；把軟鐵芯切成不相通的薄片，這是因為磁力會和鐵芯度產生環回電流（Eddy Currents），導致能量化成熱併流失至外界。
二、變壓器經濟運行的方案選擇
GB/T1346292對變壓器經濟運行區確定的原則是：變壓器在額定負載條件下的運行區應屬於經濟運行區。因此，變壓器經濟運行區的上限值定為負荷率等於1，經濟運行區的下限值所對應的效率應與經濟運行區的上限值的效率相等，其計算公式推導如下：
1.變壓器國標經濟運行區的上下限
一是變壓器經濟運行區上限的效率。變壓器效率的一般計算公式為：
（1）
式中：U*=U/Ur為變壓器運行電壓標么值；U為變壓器運行電壓；Ur為變壓器的額定電壓；ΔP0為變壓器空載試驗損耗；ΔPk為變壓器短路試驗損耗；β為變壓器的負荷率；Sr為變壓器的額定容量；cosφ為變壓器的功率因數。
將額定工況條件β=1，U*=1代入（1）式，得：
（2）
二是經濟運行區下限值的效率計算公式。變壓器處在經濟運行區下限值時的效率公式為：
（3）
令η2=η1，即（3）式與（2）式相等，解得：
（4）
由（4）式可知，變壓器經濟運行區的負荷率下限值與變壓器空載試驗損耗成正比，與變壓器短路試驗損耗成反比，還與變壓器運行電壓標么值的平方成正比，也就是說運行電壓升高時，經濟運行區負荷率下限值會增大。說明變壓器的運行電壓對其經濟運行區的寬度有影響。[2]
三是大馬拉小車的判據。根據式（4）計算出變壓器經濟運行區負荷率的下限值，當負荷率小於經濟運行區負荷率下限值時可以判定變壓器處於大馬拉小車工況。
2.變壓器經濟容量的選擇
根據變壓器經濟運行區的上下限確定其經濟容量，使變壓器實際運行的工作點不超出經濟運行區間。
按最大負荷選擇容量，條件是：
（5）
按最小負荷校驗容量，條件是：
（6）
如果（5）、（6）兩式均成立，則所選擇的容量為經濟容量，變壓器運行時不會超出經濟運行區間。
三、構建變壓器經濟運行的監測系統
變壓器經濟運行的監測系統主要包括兩大部分，即變壓器感測記錄器與資料讀取器。變壓器感測記錄器的重點內容在於中央處理器的配置。中央處理器是變壓器感測記錄器的控制中樞，整合各硬體模塊輸入、輸出的資料。相較於變壓感測器，資料讀取器的設置更為複雜。資料讀取器的主要功能是供巡檢人員以無線電方式讀取感測記錄器中的資料。資料讀取器以PDA作為工作平台，因此，對於資料讀取器的工作重點，主要注重於PDA上設計資料讀取軟體及設定儲存介面，各軟體模塊應包含如下功能：
一是介面整合管理模塊。介面整合管理模塊為資料讀取器的開始，資料讀取器的所有軟體模塊功能均是由此進入執行，主要用來統合各項軟體模塊的功能，各項功能選項均會整合在該管理模塊裡面，程序介面會顯示各項模塊的名稱，目的是方便巡檢人員清楚地了解操作資料讀取器。
二是資料讀取模塊。該模塊包含兩種主要功能介面：一是即時讀取，該介面可以即時讀取變壓器該時刻的電流、溫度及時間資料，並通過人性化的視窗介面顯示在PDA上，可以讓巡檢人員立即得知該時刻變壓器的所有負載情況；二是讀取資料的初步整理，即將複雜繁瑣的資料進行歸類與篩選，從而便於下一步的操作。
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