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          電力變壓器空載及短路功率因數計算公式及應用

          • 瀏覽次數:32056次
          • 發布時間:2013/10/4 11:15:47
          • 作者:AnyWay中國

          概述

            功率因數英文表示為Power Factor,縮寫為PF,也可以用λ表示,在正弦電路中,功率因數等于位移因數,因此,在不引起歧義的情況下,也可用cosφ表示。功率因數計算公式可由有功功率的定義得出:

            PF=P/S。

            P為有功功率,S為視在功率。

            上述功率因數計算公式只有在已知有功功率和視在功率(或電壓和電流的有效值)的情況下才能使用。

            對于一般的電力設備而言,不同的工作點下有不同的功率因數。因此,許多設備會在銘牌上標識額定運行狀態下的功率因數(額定功率因數)。

            電力變壓器的功率因數主要取決于負載功率因數,因此,額定功率因數的定義在電力變壓器中沒有實際意義。當電力變壓器處于空載或短路時,其功率因數由自身決定,因此,了解空載功率因數計算公式和短路功率因數計算公式可以幫助我們了解電力變壓器的技術參數和特點。

          電力變壓器空載功率因數的意義

            電力變壓器完全可能空載運行,而過低的功率因數會增大電網供電壓力。電力變壓器空載時,空載電流主要用于建立變壓器鐵心勵磁并提供勵磁損耗。建立勵磁磁場的部分電流為無功電流,一般設計下,電力變壓器的空載功率因數較低。

            當電力變壓器繞組端施加正弦交流電時,其磁場亦為正弦變化的磁場。但是,變壓器的鐵心為非線性導磁材料,因此,產生磁場的勵磁電流必然是非正弦變化。一般呈現為“尖頂波”。圖1為某單相變壓器的空載電流波形及其諧波頻譜。

          變壓器空載電流波形及諧波頻譜

          圖1 某單相變壓器的空載電流波形及其諧波頻譜

            由圖可知,變壓器空載電流的諧波含量較高,會給電網帶來諧波污染。

            變壓器空載運行時,輸出功率為零,空載功率等于空載損耗。在損耗固定的情況下,空載電流越小,空載功率因數越高。

            因此,電力變壓器空載功率因數越高越好,空載電流越小越好。

            提高空載功率因數是電力變壓器廠商的主要技術研究方向之一,而減小空載電流則是提高空載功率因數的一個重要技術手段。

          電力變壓器短路功率因數的意義

            短路屬于異常情況,在電力變壓器運行中不可避免的,對于要求高可靠的電網中,必須考慮電力變壓器短路時對電網及電力變壓器本身的影響。

            運行中的電力變壓器相當于一個電壓源。我們知道,對于理想電壓源而言,其短路電流無窮大,因此,決不允許短路。

            電力變壓器存在有一定的內阻,短路時,電流不會無窮大,具體會有多大的電流,取決于二次繞組短路時,從一次繞組的伏安特性得出的阻抗有關。這個阻抗,就稱短路阻抗。

            短路阻抗一般通過短路試驗獲取。短路試驗方法如下:

            將變壓器高壓側短路,低壓側從零開始加電壓,逐漸加到低壓側電流為額定電流。此時低壓側所加電壓與額定電壓之比的百分數稱為短路阻抗,也稱阻抗電壓,一般用符號UK表示。

            注意:短路阻抗是一個無量綱的物理量,”單位”不是V,也不是Ω,而是“%”。

            從電壓源的角度看,短路阻抗越小,負載調整率越小,電源性能越好。

            但短路時,若電流過大,會給電網造成過大的壓力,同時,也容易損壞變壓器本身。從電力變壓器短路運行的角度看,短路阻抗越大越好。

            我們需要在兩者之間尋求一個平衡,因此,電力部門對電力變壓器的短路阻抗有一定的要求。例如,國家標準“GB/T6451-2008油浸式電力變壓器的技術參數”規定10kV/500kVA的電力變壓器的短路阻抗標準值為5%。

          電力變壓器的銘牌參數

            銘牌標稱產品的主要技術參數,國家標準“GB/T6451-2008油浸式電力變壓器的技術參數”及“GB/T10228-1997干式電力變壓器技術參數和要求”中規定的電力變壓器技術參數主要有:額定容量、電壓組合、分接范圍、聯結組標號、空載損耗、負載損耗、空載電流及短路阻抗等。

            一般電力變壓器銘牌上不標稱空載及短路功率因數。

          電力變壓器空載功率因數計算公式

            銘牌上標稱的與電力變壓器空載運行相關的參數有空載電流和空載損耗,前面講了,空載損耗就是變壓器的空載輸入功率,也就是功率因數計算公式PF=P/S中的P。

            S為空載運行視在功率,銘牌上只標稱了額定視在功率SN。

            電力變壓器的輸入電壓為電網電壓,是恒定值,視在功率與電流成正比。

            S=I0SN。

            注意:銘牌上標稱的空載電流是一個無量綱的物理量,其“單位”不是“A”,而是“%”是實際空載電流與額定電流的百分比。

            因此,得出空載功率因數計算公式如下:

            PF0=P0/I0SN。

          電力變壓器短路功率因數計算公式

            這里說的短路功率因數不是指電力變壓器實際短路的功率因數,而是短路試驗時的功率因數。

            銘牌上標稱的電力變壓器負載損耗就是短路試驗時的損耗,也就是短路試驗時的輸入有功功率PD。

            短路試驗時,輸入電流為額定電流,電力變壓器的短路視在功率與電壓成正比。而短路阻抗UK正好是短路電壓與額定電壓的百分比。

            因此,電力變壓器短路試驗時的S=UKSN。

            因此,得出短路功率因數計算公式如下:

            PFD=PD/UKSN。

          電力變壓器空載及短路功率因數實例

            按照第五節和第六節的電力變壓器空載及短路功率因數計算公式,依據“GB/T6451-2008油浸式電力變壓器的技術參數”提供的31.5MVA~240MVA三相三繞組有載調壓電力變壓器的額定容量、空載損耗、空載電流、負載損耗、(采用高—低電壓組合時的)短路阻抗,計算出電力變壓器空載及短路功率因數如下:

          表1 31.5MVA~240MVA三相三繞組有載調壓電力變壓器空載及短路功率因數

          額定容量/MVA

          空載損耗/kW

          負載損耗/kW

          空載電流/%

          短路阻抗/%

          空載功率因數

          短路功率因數

          31.5

          44

          162

          0.77

          23

          0.181405896

           0.022360248

          40

          52

          189

          0.7

          23

          0.185714286

           0.020543478

          50

          60

          225

          0.63

          23

          0.19047619

           0.019565217

          63

          70

          261

          0.63

          23

          0.176366843

           0.018012422

          90

          92

          351

          0.56

          23

          0.182539683

           0.016956522

          120

          115

          432

          0.56

          23

          0.171130952

          0.015652174

          150

          135

          513

          0.49

          23

          0.183673469

          0.014869565

          180

          156

          630

          0.49

          23

          0.176870748

          0.015217391

          240

          193

          780

          0.45

          23

          0.178703704

          0.014130435

            注:“GB/T6451-2008油浸式電力變壓器的技術參數”中規定的高—低電壓組合的短路阻抗為22%~24%,本文按照23%取值。

            表中所示最低空載功率因數約為0.17,最低短路功率因數約為0.014,低功率因數下,互感器、功率表或功率分析儀等儀器的角差對功率測量準確度影響很大(詳見銀河文庫“不同功率因數下相位誤差對功率測量準確度的影響”),建議變壓器短路試驗時采用低角差的互感器及二次儀表。

            互感器有成熟的標準,角差越小,對應準確度等級也越高,因此,需要選用比常規試驗準確度等級更高的互感器。

            目前的功率表相關標準沒有對角差做出嚴格且具體的要求,因此,選用功率表時,功率測量準確度一般不劣于0.5級即可,應重點考核角差指標。



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