小型水電站變壓器選型淺析

李冰

（河南省農村水電及電氣化發展中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

河南省小型水電站約有530座，大多數建于20世紀七八十年代，近年來國家通過增效擴容改造對許多電站設備進行了更新換代，水能資源利用率得到較大提高，但由于設計人員多為水利相關專業，更新改造多是通過提高水輪機、發電機效率、統籌利用來水量、提升發電水頭等措施，電力運行方面節能、優化運行設計較少。通過探討站內變壓器損耗來提升電站效益，做到節能減排。

任何電氣設備只要做功就會產生有功損耗，電磁轉換則需要建立磁場，消耗無功功率。變壓器是通過電流建立磁場進行電壓變換，以達到遠距離輸電，所以變壓器不僅需要消耗有功功率，還消耗一定的無功功率。此次就從有功和無功兩個方面來對變壓器的損耗進行定量分析，并提出一些具體措施來盡可能減小損耗。

1 變壓器功率損耗計算

1.1 變壓器有功功率損耗

變壓器有功損耗有鐵損和銅損兩個部分構成。鐵損又稱空載損耗，是由于變壓器鐵芯的磁阻作用產生的損耗。鐵損值與鐵芯材料、疊壓方式、生產工藝等有關，而與負荷大小無關，屬于設備自身屬性；而銅損是由建立磁場的繞組線圈電流產生，與負荷電流平方成正比，負荷電流為額定值時的銅損又稱短路損耗，變壓器有功損耗可以用下式表示：

式中：△P—有功功率損耗，kW；P0—變壓器空載損耗，kW；Pk—變壓器短路損耗，kW；β—變壓器負載率，%。

1.2 變壓器無功功率損耗

變壓器的無功功率損耗也由兩部分組成，一部分由勵磁電流造成的損耗，因為建立磁場需要的電流不隨負荷變化，因此它與鐵芯有關，而與負荷無關。可以用下式表示：

式中：Q0—變壓器空載時的無功功率，kvar；I0—空載電流百分率，%；SN—變壓器額定容量，kV·A。

另一部分無功損耗是由于一、二次繞組的漏磁通引起的電抗損耗，其損耗等同電阻損耗，與負載電流平方成正比，稱為變壓器的無功漏磁損耗Qk。可以用下式表示：

式中：Qk—額定負載時的無功功率，kvar；Uk—變壓器阻抗電壓，%。

變壓器的總無功損耗計算如下：

式中：△Q—變壓器無功功率損耗。

1.3 變壓器有功功率損失率

變壓器的有功功率損耗會隨著負荷的增加而增加，為進行選型優化，采用有功功率損失率來做負載特性曲線。變壓器的有功功率損失率計算如下：

式中：P1—變壓器電源側輸入功率，kW；cosφ2—負載功率因數；β—負載系數；SN—變壓器額定容量，（kV·A）；P0—變壓器空載損耗，kW；PK—變壓器短路損耗，kW。

考慮單位條件下有功損耗，此次對有功功率損失率對負載率進行求導，并使之為零，得到最小損失率對條件為P0=β2PK。當對變壓器進行選型時，可以適當調整負載率來降低單位損耗。一般變壓器的β2=≈0.25～0.30，所以選擇變壓器盡量使負荷率在0.50～0.60。

2 經濟選型比較

以一個例子來進行簡單計算。一個發變組模式的組合，一臺SFW500-6/850水輪發電機組配套S11型變壓器，發電機視在功率為625（kV·A），輸出有功功率為500 kW，無功功率375 kvar，功率因數0.80，配套變壓器我們用630（kV·A）的變壓器和1 250 kVA的變壓器進行選型比較。

選用S11-630變壓器損耗如下：

以S11-1250 變壓器替換S11-630 計算，上網電價取0.31元（小水電最低電價）一度，年利用小時數取3 000 h，每年約節約電費計算如下：①有功電費節約（6.91-4.36）×3 000×0.31=2 371.5元；②無功節約引起的有功增發。總視在功率不變，無功功率節約為33.57-21.56=12.01 kvar，可以增發有功

式中字母含義同上。

6252=P2+（375-12.01）2

有功增發為：508.79-500=8.79（kW）

年有功增發電費為：8.79×3 000×0.31=8 174.70（元）

合計年共增加電費為：2 371.5+8 174.7=10 546.20（元）。

考慮到變壓器差價為：5.79-4=1.79萬元，選用S11-1250型變壓器一年半左右就能節省回本。

根據19 年河南省小水電年報數據，小水電站總裝機容量50.95 萬kW，全年發電量105 333.70 萬（kW·h）時，其中利用小時數達到3 000 h以上的電站共61座，裝機容量115 951萬kW，全年發電量44 228.24 萬（kW·h），約占小水電總年發電量的41.99%，如果能利用變壓器優化選型，能節約增發電費相當可觀。

3 結論

河南省農村水電規模較小，設備技術均較落后，許多電站還在使用S9 型號耗能變壓器，技術改造中已被列為淘汰高耗能產品。如更換為S11型變壓器并采用文中比較選型，節能運行效果更為顯著。隨著國家節能減排、綠色水電的創建，新一輪改造即將開始。文章通過技術和選型比較，希望在工程設計時從電氣設計和經濟運行考慮，合理選擇變壓器型號，達到經濟、節能、綠色發展。