建筑工程中电力变压器的主要技术参数及其功率损耗问题研究

时间:2022-08-13 11:12:59

建筑工程中电力变压器的主要技术参数及其功率损耗问题研究

【摘 要】在建筑工程中,根据单位工程建筑规模的大小差异和使用功能的不同,都要用到规格、型号、数量不同的变压器。变压器是从输电到配电、用电不可缺少的电气设备。因其数量多、容量大,所以在广义电力系统中,变压器总的电能损耗约占发电量的10%左右。对全国来说,这意味着全年变压器总的电能损耗为1000多亿度,这相当于一个较大电力系统的发电量。变压器损耗约占电力系统线损的50%左右,在农电系统中变压器损耗约占农电网中损耗的60%-70%。因此,开展变压器经济运行,采用新型节能型变压器,降低变压器损耗,是实现建筑电气系统经济运行的重要环节,是节约电能的重要手段。

【关键词】建筑电气;建筑节能;功率消耗;经济运行;技术措施;制度建设;循环经济

0 引言

在我国,由于建筑能耗约占全国总能耗的26.7%,位居能耗首位,因此建筑节能刻不容缓,而电气能耗是建筑能耗的主要组成部分,建筑节能的关键在于电气节能。

1 变压器的主要技术参数

变压器的技术参数可表征变压器在供电过程中的自身损耗一有功功率损耗和无功功率损耗,所以变压器的技术参数是分析计算变压器经济运行的基础数据。变压器铭牌上标志的参数,一类是额定参数,表示变压器的基本性能;另一类是技术参数,表示变压器在供电过程中自身损耗的性能。鉴于用户配电变压器一般为双绕组变压器,本文以此为例加以说明。

变压器额定参数包括变压器的额定容量SN。一次侧与二次侧的额定电压U1N和U2N,额定电流I1N和I2N,它们之间的关系是变压器最基本的计算式。

变压器技术参数包括:空载电流I0;空载损耗P0;短路电压Uk及短路损耗Pk。

1.1 空载电流(励磁电流)

空载电流的主要作用是在变压器空载运行时建立主磁通,并维持一次绕组中的低量损耗,所以常把空载电流称为励磁电流。

当变压器一侧绕组开路,另一侧加以额定电压时,在加电压侧绕组中所产生的电流称为空载电流I0。

在计算中空载电流百分比值在计算中空载电流百分比值10%是由变压器的铭牌标定的。

I0%=(I0 /I1N )×100%

式中:I0为空载电流,A;I1N为变压器一次侧绕组的额定电流,A。

1.2 空载损耗(铁芯损耗)

所谓变压器的空载损耗P0,是指变压器在额定电压和额定频率条件下,变压器的二次侧不带负荷,处于开路状态,一次侧电路所消耗的全部功率。因为变压器在空载条件下,一次绕组的电流数值很小,因此,其铜损也很小,故通常将变压器的空载有功损失近似的认为等于变压器的铁损。

变压器的铁损为磁滞损耗ΔPn和涡流损耗ΔPe之和。

由于铁芯受交变电流周期性的影响,铁磁材料磁偶极子的排列也随着作周期性的变化,并产生磁滞现象,因而产生铁芯交变磁化的功率损失,通常称为磁滞损ΔPn,它可由下式求得:

式中:ΔPn为磁滞损耗,W/kg;Kn为磁滞系数,取决于材料的常数;f 为电源频率,Hz;Bm为最大磁通密度。

由上式可知,磁滞损耗正比于所用铁芯的重量并随磁通密度而变化。为了降低这种损耗,所用材料的重量应尽可能少,而磁通密度也不应太高,同一电压下磁滞损耗与频率成反比。

当穿过铁芯的磁通变化时,在铁芯内就会产生涡流,它环流于磁通向量垂直的平面内,根据楞次定律,涡流所产生的磁化力总是力图阻止原有的磁化力的变化,因而产生涡流损耗ΔPe。它可由下式求得:

式中:ΔPe为涡流损耗,W/kg;Ke为磁滞系数,取决于材料的常数; Kf 为波形因数(正弦波时为1.11);t为硅钢片厚度,m。

由上式可知,涡流损耗取决于所选用的磁通密度、铁芯叠片材料的重量、铁芯叠片的厚度和铁芯叠片的绝缘效果。由于涡流损耗ΔPe与硅钢片厚度t的平方成正比,故铁芯常用0.35-0.5mm或更薄的硅钢片铁芯,片间用绝缘漆绝缘,同一电压下涡流损耗与频率无关。

1.3 短路电压(短路阻抗)

将变压器二次绕组短路,在一次绕组加额定频率的低电压,当二次绕组通过额定电流时,一次绕组所施加的电压Uk称为变压器的短路电压,又称阻抗电压一般情况下阻抗电压Uk都以其对额定电压比的百分数Uk%表示,统称短路阻抗。

Uk =Uk / U1N ×100%

1.4 短路损耗

将变压器二次侧绕组短路,一次侧绕组加电压,当变压器绕组中流过的电流达到额定值时,测得的有功功率即为短路损耗Pk。由于一次侧加以低压,变压器铁耗很小,因此变压器的短路损耗可以认为等于额定工作状态下的铜耗。

上述四个变压器的参数中,空载电流I0及空载损耗P0主要反映铁芯的特性,是由空载试验测得的。短路电压认和短路损耗Pk主要反映一次二次绕组的特性,它们由额定负载条件下短路试验所取得的;P0与Pk主要反映变压器的有功功率损耗,而I0与Uk则反映变压器的无功功率损耗,但要进行换算,其过程如下:

变压器在空载实验时,电源侧的视在功率S0(kVA)为:

式中:U1N为电源侧额定电压,kV;I0%为空载电流的百分比;SN为变压器的额定容量,kVA。

变压器在空载时,电源侧的励磁功率(无功功率)Q0(kVar)的计算公式:

变压器在短路实验时,电源侧的视在功率Sk(kVar)应为:

式中:I1N为电源侧额定电流,A;UK为变压器短路电压,kV;UK%为短路电压百分比。

变压器额定负载时所消耗的漏磁功率(无功功率)Qk(kVAar)的计算式为:

在进行变压器经济运行的分析计算时,为了简化计算常近似认为:

2 变压器的损耗

2.1 有功功率损耗

变压器在传输功率过程中其自身要产生有功功率损耗ΔP(kW),主要有两部分组成,即空载损耗和负载损耗。空载损耗是与负载大小无关的固定损耗,通常容量较大的变压器,其空载损耗越大。负载损耗是与负载电流成平方关系的可变损耗。在T小时内,变压器的有功功率损耗ΔP (kW)、损耗率ΔP%的稳态计算式为:

式中:β为T时间段内变压器的平均负载系数;cosφ2为负载功率因数;P1为变压器的输入功率,kW;P2为变压器的输出功率,kW;Pe为变压器的额定功率,kW;SN为变压器的额定容量。

2.2 无功功率损耗

由于变压器的变压过程是借助于电磁感应完成的,因此,变压器是一个感性的无功负载。在变压器传输功率的过程中,变压器自身的无功功率消耗远大于有功功率损耗。同有功功率损耗一样,T时间段内,变压器的无功功率消耗ΔQ(kVar)和无功功率消耗率ΔQ%的稳态计算式为:

2.3 综合功率消耗

综合功率消耗是指变压器有功功率损耗和因其消耗无功功率使电网增加的有功功率之和。

综合功率损耗也是有功功率损耗,它的提出具有系统性。变压器综合功率经济运行是立足于电力系统总体最佳节电法,是既考虑有功电量节约,又考虑无功电量节约的综合最佳;是既考虑用电单位的节电,又考虑供电网损降低的系统最佳。

T时间段内双绕组变压器综合功率损耗ΔP2和综合功率损耗率的稳态计算式:

式中:KQ为无功经济当量;P0Z为空载综合功率消耗;PkZ额定负载综合功率消耗。

3 结束语

总之,建筑电气节能是指在充分满足、完善建筑物功能要求的前提下,合理配置建筑设备,并对其进行有效、科学的控制与管理,以尽量减少能源消耗,提高能源利用率,而不是简化建筑物的功能要求,降低其功能标准。因此,遵循这个原则,建筑电气节能可从变压器的选择、供配电系统及线路设计、系统功率因数提高、照明节能、电动机节能、节电型低压电器的选用等多个方面采取措施。

【参考文献】

[1]刘惠萍,张一鸣.电气设计中节能问题[J].建筑节能,2007,35(4):31-34.

[2]齐雪艳.现代住宅电气设计节能技术探讨[J].技术广场,2008(4):5-6.

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