基于降低損耗和控制投資的變壓器容量選擇

■　王彥利

基于降低損耗和控制投資的變壓器容量選擇

■王彥利

針對(duì)當(dāng)前地鐵供電領(lǐng)域單純考核空載損耗選擇變壓器容量的認(rèn)知，結(jié)合真實(shí)變壓器的具體損耗數(shù)值，理論上全面分析變壓器總損耗的影響因素，闡明變壓器總損耗的主要控制因素是負(fù)載損耗，指出業(yè)內(nèi)偏重空載損耗認(rèn)知的錯(cuò)誤，推導(dǎo)了基于總損耗最小的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載，提出按照綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)選擇變壓器容量的原則和方法。

變壓器；損耗；投資；容量選擇

0　引言

變壓器廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，裝機(jī)容量和安裝數(shù)量都很龐大，并且還將有更多的變壓器持續(xù)投入運(yùn)營(yíng)。變壓器運(yùn)行中產(chǎn)生的損耗同樣龐大，基于節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的需要，在選擇變壓器容量時(shí)，有效控制變壓器總損耗的意義非常重大。

基于變壓器的空載損耗、負(fù)載損耗和采購成本都隨變壓器容量的增加而增加，當(dāng)前主要的技術(shù)資料和眾多業(yè)界技術(shù)人員認(rèn)為，在滿足負(fù)載要求的條件下，選擇的變壓器容量越小則空載損耗越小且投資越少，為了降低變壓器損耗和設(shè)備投資，應(yīng)盡可能選擇小容量變壓器。

近十年來，變壓器導(dǎo)磁材料的技術(shù)水平逐步提高且成本大幅降低，工廠的生產(chǎn)制造水平進(jìn)一步提高，變壓器空載損耗大幅下降，降低變壓器空載損耗所需費(fèi)用相應(yīng)減小，變壓器總損耗中空載損耗的占比也越來越少，容量接近的變壓器空載損耗相差不大。但伴隨變壓器導(dǎo)磁材料的技術(shù)進(jìn)步，變壓器導(dǎo)體材料并未出現(xiàn)大的進(jìn)步，負(fù)載損耗成為變壓器損耗的主要構(gòu)成部分，不同容量的變壓器在相同負(fù)載條件下的負(fù)載損耗相差較大，業(yè)內(nèi)少數(shù)技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到片面減小空載損耗、忽視負(fù)載損耗而選擇更小容量變壓器的認(rèn)知是不準(zhǔn)確的。

變壓器是供電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一［1］，因此，針對(duì)城市軌道交通龐大的供電系統(tǒng)來說，降低變壓器運(yùn)行總損耗，非常有必要定量分析研究變壓器空載損耗、負(fù)載損耗和購置成本與變壓器全生命周期內(nèi)綜合費(fèi)用的關(guān)系。

1　變壓器損耗

1.1損耗計(jì)算

變壓器損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗。當(dāng)變壓器二次繞組開路、一次繞組施加額定頻率的額定電壓時(shí)，所消耗的有功功率稱為空載損耗，主要為變壓器鐵芯的磁滯損耗，俗稱“鐵損”。當(dāng)變壓器二次繞組短路、一次繞組流通額定頻率的額定電流時(shí)，所消耗的有功功率稱為負(fù)載損耗，主要為變壓器線圈的電阻損耗，俗稱“銅損”。空載損耗和負(fù)載損耗構(gòu)成變壓器總損耗。

當(dāng)變壓器負(fù)載率不隨時(shí)間變化時(shí)，其總損耗計(jì)算如下：

式中：Pt為變壓器總損耗，kW；P0為變壓器空載損耗，kW；Pk為變壓器額定負(fù)載損耗，kW；β為變壓器負(fù)載率。

當(dāng)變壓器負(fù)載率隨時(shí)間變化時(shí)，其總損耗計(jì)算如下［2］：

式中：T為變壓器運(yùn)行時(shí)間段，s。

1.2變壓器損耗數(shù)據(jù)分析

為了明確變壓器空載損耗和負(fù)載損耗與總損耗的關(guān)系，選取當(dāng)前市場(chǎng)上較具代表性的變壓器損耗參數(shù)進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)某變壓器制造商的35/0.4 kV系列干式配電變壓器的空載損耗和額定負(fù)載損耗的數(shù)值見表1，其他變壓器制造商的參數(shù)基本相當(dāng)。

可以看出：

（1）同一變壓器的額定負(fù)載損耗數(shù)值遠(yuǎn)大于空載損耗數(shù)值；

（2）同一變壓器的空載損耗和額定負(fù)載損耗都隨容量的增加而增加，額定負(fù)載損耗的增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于空載損耗。

2　相同負(fù)載在不同容量變壓器產(chǎn)生的總損耗

按照變壓器的損耗數(shù)值，相同負(fù)載在不同容量變壓器上產(chǎn)生的總損耗值見表2，變化趨勢(shì)見圖1。

可以看出：

（1）負(fù)載S1、S2、S3和S4隨著變壓器容量的增大而逐漸減小；

（2）負(fù)載S5、S6和S7在大容量和小容量變壓器上的損耗更大，在中間容量變壓器上的損耗更低，即存在損耗最低的最優(yōu)變壓器容量；

（3）負(fù)載S8隨變壓器容量的增大而逐漸增加。

因此，相同負(fù)載在不同容量變壓器上產(chǎn)生的總損耗，并非選用變壓器的容量越大總損耗越大。“在滿足負(fù)載的條件下，基于降低變壓器損耗和設(shè)備投資的目的，應(yīng)盡可能選擇小容量變壓器”的觀點(diǎn)并不普遍適用，選擇小容量的變壓器可以降低空載損耗，但總損耗在更多情況下是增加的。

圖1　不同容量35/0.4 kV干式變壓器在相同負(fù)載的總損耗

3　變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載

根據(jù)以上分析，對(duì)于容量大小不同的變壓器存在一個(gè)特定負(fù)載，當(dāng)真實(shí)負(fù)載小于該特定負(fù)載時(shí)，選擇小容量變壓器（T小）時(shí)的總損耗低；當(dāng)真實(shí)負(fù)載大于該特定負(fù)載時(shí)，選擇大容量變壓器（T大）時(shí)的總損耗低，該特定負(fù)載稱為“臨界負(fù)載”。

表1　35/0.4 kV干式變壓器空載損耗和額定負(fù)載損耗值

表2　不同容量35/0.4 kV干式變壓器相同負(fù)載的總損耗值　　　　kW

對(duì)于確定的負(fù)載S，在T大和T小上產(chǎn)生的總損耗為：

式中：S為負(fù)載容量，kVA；S大、S小分別為T大和T小的額定容量，kVA；P大、P小分別為T大和T小在負(fù)載S時(shí)的總損耗，kW；P0大、P0小分別為T大和T小的空載損耗，kW；Pk大、Pk小分別為T大和T小的額定負(fù)載損耗，kW。

令P=P，則可得出T和T的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載S［3］：

大小大小經(jīng)濟(jì)

在工程應(yīng)用中，不同容量變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗不同，在相同負(fù)載條件下，總損耗小者為優(yōu)。當(dāng)負(fù)載容量大于S經(jīng)濟(jì)時(shí)應(yīng)選用T大，當(dāng)負(fù)載容量小于S經(jīng)濟(jì)時(shí)應(yīng)選用T小。

4　變壓器容量選擇

工程中選擇變壓器容量時(shí)，除了必須滿足初、近、遠(yuǎn)期的負(fù)荷要求外，同時(shí)應(yīng)考慮變壓器的采購成本和電網(wǎng)占容費(fèi)用，還應(yīng)核算變壓器總損耗尤其是負(fù)載損耗產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用。

對(duì)于同類型變壓器，容量越大采購成本、空載損耗成本和電網(wǎng)占容費(fèi)用越高，但在確定負(fù)載下的變壓器負(fù)載損耗卻呈降低趨勢(shì)，考慮負(fù)載損耗一般遠(yuǎn)大于空載損耗，因此不能簡(jiǎn)單認(rèn)為選擇相對(duì)小的容量就能夠節(jié)約能源或節(jié)約總成本，應(yīng)在變壓器全生命周期內(nèi)綜合考慮變壓器損耗、設(shè)備購置費(fèi)用和電網(wǎng)占容費(fèi)用，進(jìn)行計(jì)算比較選擇全生命周期綜合費(fèi)用最少的變壓器容量，計(jì)算方式如下：

式中：M為變壓器全生命周期綜合費(fèi)用，元；F采購為變壓器采購價(jià)格，元；F占容為變壓器電網(wǎng)占容費(fèi)用，元；E損耗為變壓器全生命周期內(nèi)總損耗消耗的能量，kW·h；P電價(jià)為變壓器應(yīng)用地的電費(fèi)價(jià)格，元/（kW·h）。

式（6）中E損耗為變壓器全生命周期內(nèi)總損耗消耗的全部能量，在計(jì)算負(fù)載損耗時(shí)，需考慮變壓器在不同年份、季節(jié)、月份和每天不同時(shí)段的負(fù)載率變化情況。變壓器的全生命周期一般選擇30年，也可根據(jù)設(shè)備本身及其材料的使用情況調(diào)整。

5　結(jié)束語

工程中選擇變壓器容量時(shí)，為了降低變壓器空載損耗而優(yōu)先選擇小容量變壓器的認(rèn)識(shí)是片面的，多數(shù)情況下選擇較大容量變壓器時(shí)的總損耗更低，當(dāng)然過分追求降低變壓器負(fù)載損耗而選擇過大容量變壓器的認(rèn)識(shí)也不全面。

正確的變壓器容量選擇方法，應(yīng)是在滿足變壓器負(fù)載率的條件下，重點(diǎn)考核變壓器的負(fù)載損耗，計(jì)算變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載，綜合比較變壓器全生命周期的空載損耗、負(fù)載損耗，納入計(jì)算變壓器一次性的購置費(fèi)用和電能增容費(fèi)用，按照變壓器全生命周期綜合費(fèi)用最低的原則，爭(zhēng)取選定變壓器的最優(yōu)容量。

［1］ 智慧，劉明強(qiáng)，吳萍，等.高速鐵路牽引變壓器安裝容量?jī)?yōu)化研究［J］.中國(guó)鐵路，2014（10）：34-37.

［2］ 胡景生.變壓器能效與節(jié)電技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 胡景生.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1999.

王彥利：深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，副總工程師，高級(jí)工程師，廣東 深圳，518000

責(zé)任編輯高紅義

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