節(jié)能型配電變壓器比較及應(yīng)用研究

潘麗珠，楊孝志，王鳳霞，程石，朱煥軍，宮揚(yáng)非國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院；國網(wǎng)安徽省電力公司物資公司

節(jié)能型配電變壓器比較及應(yīng)用研究

潘麗珠1，楊孝志1，王鳳霞1，程石1，朱煥軍2，宮揚(yáng)非2
1國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院；2國網(wǎng)安徽省電力公司物資公司

配網(wǎng)負(fù)荷存在季節(jié)性強(qiáng)、負(fù)荷波動(dòng)大和峰谷差大的特點(diǎn)，變壓器全年輕載甚至空載時(shí)間較長，配變鐵損比重大。為積極引導(dǎo)用戶采用節(jié)能設(shè)備，本文對(duì)國網(wǎng)公司推薦采用的幾種節(jié)能型配電變壓器能效特性進(jìn)行分析研究。

節(jié)能；配電變壓器；研究

引言

配電變壓器使用量大、應(yīng)用范圍廣、運(yùn)行時(shí)間長，采用新技術(shù)、新材料、新工藝的節(jié)能型配電變壓器已成為配電網(wǎng)節(jié)能降損的有效途徑。《國家電網(wǎng)公司新技術(shù)目錄（2014版）》和《國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)推廣新技術(shù)目錄（2014版）》中，節(jié)能型變壓器等再次成為未來幾年新技術(shù)推廣目錄。節(jié)能配電變壓器主要包括S13型立體卷鐵心變壓器、非晶合金變壓器、自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器等。根據(jù)目錄規(guī)劃，2014～2016年新增配電變壓器中，S13型及非晶變壓器等節(jié)能型變壓器所占比例不低于60%，自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器不低于15%。2017～2019年，新增配電變壓器全部采用節(jié)能型變壓器。

本文針對(duì)S13型立體卷鐵心變壓器、SH15非晶合金變壓器、自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

1　節(jié)能配電變壓器介紹

S13型立體卷鐵心變壓器采用三相對(duì)稱立體式結(jié)構(gòu)，三相鐵芯磁路完全對(duì)稱，磁阻大大減少，勵(lì)磁電流、空載損耗顯著降低，運(yùn)行噪音低，結(jié)構(gòu)緊湊，屬于節(jié)能、環(huán)保、超靜音的綠色電力變壓器。SH15非晶合金變壓器由于使用了一種新的軟磁材料——非晶合金，使其性能超越了各類硅鋼變壓器。自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器是一種具有兩種不同額定容量，可根據(jù)負(fù)載變化進(jìn)行高壓繞組聯(lián)結(jié)方式的改變以及低壓繞組并、串聯(lián)的轉(zhuǎn)換，在用電負(fù)荷高峰時(shí)段自動(dòng)將變壓器調(diào)整到大容量檔運(yùn)行，在用電負(fù)荷低谷時(shí)段自動(dòng)將變壓器調(diào)整到小容量運(yùn)行的變壓器，可大大降低空載損耗。

變壓器運(yùn)行性能參數(shù)主要包括固定存在的空載損耗和帶負(fù)荷狀態(tài)下的負(fù)載損耗。本文以S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器、SH15非晶合金變壓器、S13-M.ZT自動(dòng)調(diào)容變壓器為例，對(duì)比同容量變壓器的技術(shù)參數(shù)，SH15非晶合金變壓器的空載損耗最低，比S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器低50%，而S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器空載電流比SH15非晶合金變壓器低40-50%，自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器具有兩種額定容量，在小容量運(yùn)行時(shí)，空載損耗和空載電流都相對(duì)較低，可大幅降低其年損耗。S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器空載電流小，變壓器無功損耗大大降低，可以減少無功補(bǔ)償設(shè)備的投入，節(jié)省無功補(bǔ)償設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。

2　S13與SH15配電變壓器能效特性

實(shí)際運(yùn)行中的負(fù)載損耗為β2Pk（負(fù)載系數(shù)β=S/SN），變壓器處于高效運(yùn)行狀態(tài)才達(dá)到節(jié)能效果。變壓器效率

式中，cosθ為變壓器功率因數(shù)，β為負(fù)載系數(shù)。當(dāng)dη/dβ=0時(shí)，變壓器達(dá)到最高效率，根據(jù)S13-M.RL和SH15技術(shù)參數(shù)分別計(jì)算出兩者的最佳負(fù)載系數(shù)βmax和最高效率ηmax（功率因數(shù)cosθ= 0.9），如表1所示，S13-M.RL變壓器負(fù)載系數(shù)在31%～34%區(qū)間時(shí)效率最高，而SH15非晶變壓器負(fù)載系數(shù)在21%～22%區(qū)間時(shí)效率最高，可見兩種類型變壓器都適宜在低負(fù)載區(qū)域運(yùn)行，非晶合金變壓器最佳運(yùn)行負(fù)載率比立體卷鐵心變壓器低。小容量SH15非晶合金變壓器最高效率略高于S13立體卷鐵芯變壓器，隨著配變?nèi)萘康脑龃螅琒13立體卷鐵心變壓器效率提高。

表1　兩種變壓器能效參數(shù)比較

下圖中▲、×、■曲線分別表示容量為50、200和500的兩種變壓器能效特性，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取0.05，功率因數(shù)cosθ=0.9，不考慮負(fù)荷波動(dòng)，橫坐標(biāo)為負(fù)載系數(shù)，縱坐標(biāo)表示變壓器綜合損耗率。兩種節(jié)能型配電變壓器隨著容量的增大，其損耗率越來越低。負(fù)載系數(shù)低于70%時(shí)，同一容量的SH15非晶合金變壓器綜合損耗率略低于S13立體卷鐵芯變壓器；而當(dāng)負(fù)載系數(shù)高于70%時(shí)，同一容量的SH15非晶合金變壓器綜合損耗率略高于S13立體卷鐵芯變壓器。從理論上來說，兩種節(jié)能型變壓器較宜選用較大容量，且安裝在負(fù)載系數(shù)偏低（21%～34%）的配電臺(tái)區(qū)，可達(dá)到節(jié)能高效的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1　S13-M.RL立體卷鐵芯配電變壓器能效特性

變壓器一年運(yùn)行按360天，每天運(yùn)行24小時(shí)，由于空載損耗（即鐵耗）在變壓器運(yùn)行期間一直存在，故全年空載時(shí)間為8640小時(shí)；變壓器年運(yùn)行平均負(fù)載系數(shù)按0.5計(jì)算，根據(jù)負(fù)載損耗（即銅耗）與電流的平方成正比的規(guī)律，則實(shí)際負(fù)載損耗為額定負(fù)載損耗的1/4，則等效滿載數(shù)為360×24×1/4=2160小時(shí)。變壓器年運(yùn)行費(fèi)用為Cy

式中，Ap為電價(jià)，按0.65元/kWh計(jì)算，兩種變壓器的年運(yùn)行費(fèi)用如表1所示，SH15非晶變壓器的年運(yùn)行費(fèi)用低于S13-M.RL立體卷鐵心變壓器，隨著配變?nèi)萘康脑龃螅瑑煞N變壓器的年運(yùn)行費(fèi)用差距增大。

圖2　SH15非晶合金配電變壓器能效特性

3　自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器能效

采用變壓器自動(dòng)調(diào)容技術(shù)，假設(shè)1年中處于小容量運(yùn)行狀態(tài)時(shí)間按9個(gè)月計(jì)算，處于小容量運(yùn)行狀態(tài)3個(gè)月，全年空載時(shí)間為8640小時(shí)，變壓器年運(yùn)行平均負(fù)載系數(shù)按0.5計(jì)算，則變壓器的年運(yùn)行費(fèi)用如表2所示。對(duì)于小容量運(yùn)行9個(gè)月，大容量運(yùn)行3個(gè)月的季節(jié)性負(fù)荷，同容量的自動(dòng)調(diào)容變壓器年運(yùn)行費(fèi)用與SH15非晶合金變壓器接近，比S13立體卷鐵芯變壓器年運(yùn)行費(fèi)略低。

自動(dòng)調(diào)容變壓器具有兩種額定容量，其節(jié)能降耗的優(yōu)化計(jì)算可分別考慮有供損耗最小、無功損耗最小以及綜合功率損耗最小三種情況。如果用戶以節(jié)約有功電量為主，可按有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化；如果以提高功率因數(shù)為主，可按無功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化；如果兩者兼顧或以降低系統(tǒng)損耗為主，則按綜合功率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化。表2為S13-M.ZT自動(dòng)調(diào)容變壓器有功、綜合臨界負(fù)載點(diǎn)，如果按表4中有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，小容量運(yùn)行時(shí)負(fù)載系數(shù)超過40%則自動(dòng)調(diào)節(jié)至大容量運(yùn)行。按無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取0.05，功率因數(shù)cosφ=0.9，不考慮負(fù)荷波動(dòng)，圖3中△、■曲線分別為容量為160 （50）和500（160）的自動(dòng)調(diào)容變壓器能效特性，橫坐標(biāo)為負(fù)載系數(shù)，縱坐標(biāo)表示變壓器綜合損耗率。

表2　S13-M.ZT-160(50)～500(160)調(diào)容變

圖3　S13-M.ZT自動(dòng)調(diào)容變壓器能效特性

圖4中▲、×、□曲線分別為315kVA自動(dòng)調(diào)容、S13-M.RL和SH15三類節(jié)能型配電變壓器的能效特性。負(fù)載系數(shù)在5%～10%區(qū)間內(nèi)，S13-M.ZT 315（100）自動(dòng)調(diào)容變壓器的綜合損耗率最低，能效特性最優(yōu)；負(fù)載系數(shù)在10%～50%區(qū)間內(nèi)，SH15-315非晶合金變壓器的綜合損耗率最低，能效特性最優(yōu)；負(fù)載系數(shù)在50%～70%區(qū)間內(nèi)，SH15-315非晶合金變壓器與S13-M.RL 315立體卷鐵芯配電變壓器的綜合損耗率相差很小；能效特性相當(dāng)；負(fù)載系數(shù)大于70%時(shí)，S13-M.RL315立體卷鐵芯配電變壓器的綜合損耗率最低。由此可見，一臺(tái)低損耗的變壓器并不是在任何負(fù)載水平下都是高效的，不同負(fù)載率狀態(tài)下配電變壓器的節(jié)能效果可能有很大差別，如果容量選擇不當(dāng)，同樣存在高損耗率的問題。

節(jié)能型配電變壓器負(fù)載系數(shù)為21%～34%時(shí)，可達(dá)到節(jié)能高效的運(yùn)行狀態(tài)。若按綜合損耗率最低時(shí)的最佳負(fù)載率選擇配電變壓器容量，會(huì)導(dǎo)致變壓器容量選擇過大，與之配套的開關(guān)等設(shè)備的開斷能力要求高，增加一次投資和年運(yùn)行費(fèi)，節(jié)約的電能損耗電費(fèi)可能難以補(bǔ)償初期投資費(fèi)用的增加，故選擇節(jié)能型配電變壓器的容量應(yīng)從節(jié)約資金和節(jié)約電能等方面進(jìn)行量化比較來決定，變壓器容量選擇方法是多種多樣，比如綜合費(fèi)用分析法、最佳效益法等，應(yīng)結(jié)合負(fù)荷特點(diǎn)，從節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等多方面考慮選取變壓器，使其達(dá)到最佳。

圖4　三類節(jié)能變壓器能效特性比較

4　應(yīng)用場所

自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器適用于季節(jié)性、時(shí)段性負(fù)荷變化差異大，年平均負(fù)載率低的地區(qū)。因自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器在調(diào)節(jié)容量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)最長持續(xù)40ms的電壓跌落，適合使用如水利灌溉地區(qū)、季節(jié)性旅游景區(qū)、季節(jié)性返鄉(xiāng)地區(qū)、其他負(fù)荷變化較大且允許出現(xiàn)最長持續(xù)40ms的電壓跌落地區(qū)；而對(duì)供電電源穩(wěn)定性要求高及政治供電需求高的地區(qū)和用戶不適用，如醫(yī)療、航天、精密設(shè)備生產(chǎn)等。

非晶合金配電變壓器由于噪音較大，價(jià)格偏高，目前不太適于過小容量配電臺(tái)區(qū)，且安裝地點(diǎn)不宜過于靠近居民小區(qū)和用戶，不宜過負(fù)荷運(yùn)行。S13型立體卷鐵心變壓器噪音低，性價(jià)比高，可考慮在靠近居民小區(qū)、商業(yè)中心等配電臺(tái)區(qū)使用，過負(fù)荷能力較強(qiáng)。

5　結(jié)語

配電變壓器的空載損耗、負(fù)載損耗以及負(fù)載系數(shù)的大小決定了變壓器損耗率的高低。國網(wǎng)公司推廣的節(jié)能型配電變壓器均具有較高的能效，但若容量選擇不當(dāng)，不僅存在高損耗率問題，且用戶應(yīng)擔(dān)負(fù)更高的經(jīng)濟(jì)支出，應(yīng)根據(jù)臺(tái)區(qū)負(fù)荷大小、性質(zhì)合理選擇配電變壓器的型號(hào)和容量，才能最大程度發(fā)揮其節(jié)能效果。

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潘麗珠（1976-），女，工程師，從事電網(wǎng)節(jié)能、電能質(zhì)量相關(guān)研究。