配電變壓器容量選擇與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題分析

劉照林

(國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠，山西太原030024)

在建筑電氣工程設(shè)計(jì)時(shí)，選擇變壓器容量是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。變壓器容量選擇合理與否，直接關(guān)系到企業(yè)供配電系統(tǒng)的運(yùn)行能否經(jīng)濟(jì)合理。影響變壓器經(jīng)濟(jì)容量選擇的因素很多，其中主要包括:總計(jì)算負(fù)荷的大小、年最大負(fù)載損耗時(shí)間、變壓器類(lèi)型及經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)、現(xiàn)行電價(jià)等。本文通過(guò)對(duì)配電變壓器經(jīng)濟(jì)容量的幾個(gè)主要影響因素的分析，試圖從中找到或建立一種能綜合考慮各種影響因素的配電變壓器經(jīng)濟(jì)容量的確定方法。

1 影響配電變壓器經(jīng)濟(jì)容量的主要因素分析

1.1 計(jì)算負(fù)荷的影響

配電變壓器的容量應(yīng)根據(jù)用電設(shè)備總計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行選擇，其計(jì)算表達(dá)式為:

式中:Se—配電變壓器的額定容量，kVA;

Pjs—全部用電設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷，kW;

β—配電變壓器的實(shí)際負(fù)載系數(shù);

cosφ—補(bǔ)償后的平均功率因素;

式中:Pe—用電設(shè)備組的設(shè)備功率，kW;

Kx—需用系數(shù);

Kp—變電所的有功功率同時(shí)系數(shù);

從式(1)中可以看出，配電變壓器的容量與計(jì)算負(fù)荷的大小成正比，而計(jì)算負(fù)荷的大小除與用電設(shè)備組的功率有關(guān)外，還與負(fù)載需用系數(shù)及同時(shí)系數(shù)有關(guān)。需用系數(shù)受許多因素的影響，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝使用要求及負(fù)載性質(zhì)合理選取，使總的計(jì)算負(fù)荷盡量與實(shí)際接近。若總的計(jì)算負(fù)載偏大，會(huì)導(dǎo)致所選變壓器容量增大，變壓器投資增大，變壓器空載損耗增大，同時(shí)也會(huì)無(wú)謂地增大變壓器的運(yùn)行費(fèi)用成本。反之，若計(jì)算負(fù)荷偏小，會(huì)造成變壓器容量選擇過(guò)小，增大變壓器損耗，甚至?xí)?dǎo)致變壓器長(zhǎng)期過(guò)載，加速絕緣老化，而縮短變壓器使用壽命。

1.2 變壓器類(lèi)型及經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)的影響

配電變壓器的類(lèi)型不同，其經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)及造價(jià)也不同，因此，按照運(yùn)行費(fèi)用最省的原則，所確定的變壓器經(jīng)濟(jì)容量也不會(huì)相同。配電變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)是保證變壓器的運(yùn)行效率最高，而功率損失率最低時(shí)的負(fù)載系數(shù)，其值可按下式計(jì)算:

式中:βjz—變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù);

Poz—變壓器綜合功率空載損耗，kW;

Pkz—變壓器綜合功率負(fù)載損耗，kW。

經(jīng)計(jì)算，不同類(lèi)型的配電變壓器(容量在315～2 500 kVA范圍內(nèi))的綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)分別為:S11系列油浸變壓器的βjz的均值為0.37;SC(B)9系列干式變壓器的 βjz均值為0.51;SH15系列非晶合金油浸式變壓器的βjz的均值為0.23。

若按經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)選擇變壓器容量，不同類(lèi)型的變壓器會(huì)有不同的容量選擇結(jié)果。與此同時(shí)，雖然按經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)選擇變壓器容量，可以使該變壓器的運(yùn)行效率達(dá)到最高，但由于新型系列變壓器(比如SH15系列)空載損耗已大幅降低，其經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)較小，因此若按式(2)進(jìn)行容量選擇，會(huì)導(dǎo)致變壓器容量選擇過(guò)大、一次性投資過(guò)大的突出問(wèn)題。

1.3 年最大負(fù)載損耗時(shí)間的影響

按照年電能損失率最小的原則選擇變壓器容量，可使所選變壓器容量的年運(yùn)行效率達(dá)到最高。同時(shí)，與按變壓器功率損失率最小原則確定的變壓器容量相比，可降低2～3個(gè)容量等級(jí)?？墒棺儔浩髂觌娔軗p失率達(dá)到最小的節(jié)能負(fù)載系數(shù)［1］計(jì)算表達(dá)式為:

式中:βAZ—配電變壓器的節(jié)能負(fù)載系數(shù);

T—配電變壓器年投入運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h;

τ—配電變壓器年最大負(fù)載損耗小時(shí)數(shù)，h;

從式(3)中看出，配電變壓器的節(jié)能負(fù)載系數(shù)βAZ與其空載損耗、短路損耗及電力負(fù)荷的運(yùn)行特點(diǎn)有關(guān)。其中的數(shù)值，隨企業(yè)生產(chǎn)性質(zhì)和生產(chǎn)班次的不同而不同。對(duì)于負(fù)載曲線變化較大的電力用戶，其τ值較低，βAZ值較高，按式(3)的節(jié)能負(fù)載系數(shù)βAZ選擇變壓器容量，可使所選變壓器的節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性達(dá)到相對(duì)的統(tǒng)一。但對(duì)于多數(shù)常年持續(xù)生產(chǎn)且負(fù)載曲線變化不大的電力用戶，由于其年最大負(fù)載損耗小時(shí)τ值較高，βAZ值較低，若按式(3)的節(jié)能負(fù)載系數(shù)選擇變壓器容量，同樣會(huì)導(dǎo)致變壓器容量選擇過(guò)大的問(wèn)題。

1.4 現(xiàn)行電價(jià)制的影響

根據(jù)國(guó)家電價(jià)政策規(guī)定，大宗工業(yè)用電須執(zhí)行兩部制電價(jià)。其中基本電費(fèi)可選擇按變壓器容量進(jìn)行計(jì)費(fèi)，也可選擇按最大需量進(jìn)行計(jì)費(fèi)。由于條件的限制，許多企業(yè)執(zhí)行的是按變壓器容量計(jì)算基本電費(fèi)的計(jì)費(fèi)方式。從節(jié)約年運(yùn)行費(fèi)用的角度，企業(yè)希望盡量增大變壓器的負(fù)載系數(shù)，以減小變壓器的安裝容量。但從節(jié)能的觀點(diǎn)看，配電變壓器的實(shí)際負(fù)載率不宜太大，因盡量接近變壓器的節(jié)能負(fù)載系數(shù)，以提高配電變壓器的運(yùn)行效率，降低變壓器的功率損耗。因此說(shuō)現(xiàn)行電價(jià)也是影響配電變壓器經(jīng)濟(jì)容量選擇的因素之一。

2 配電變壓器經(jīng)濟(jì)容量的確定方法

通過(guò)對(duì)上述影響變壓器經(jīng)濟(jì)容量的幾個(gè)主要因素的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，若要確定變壓器的經(jīng)濟(jì)容量，首先應(yīng)先確立一種能對(duì)同類(lèi)型、不同容量變壓器技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析的方法。如果借用配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的方法，綜合考慮“變壓器價(jià)格、損耗、負(fù)荷特點(diǎn)、電價(jià)”等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)性的影響，并按照配電變壓器Se＞Sjs的容量選擇條件，在多種規(guī)格的待選變壓器中，對(duì)備選方案從節(jié)能性的角度，進(jìn)行進(jìn)一步的分析比較，那么，就可方便地從中篩選出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)效益最佳的配電變壓器容量來(lái)。

2.1 配電變壓器能效評(píng)價(jià)方法［2］

對(duì)配電變壓器能效評(píng)價(jià)可采用綜合能效費(fèi)用法，綜合能效費(fèi)用法是一種通過(guò)計(jì)算分析各可行技術(shù)方案下的變壓器綜合能效費(fèi)用，選擇總費(fèi)用最少的方案為最佳經(jīng)濟(jì)方案的分析方法。該方法適用于同容量、不同類(lèi)型變壓器之間的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。使用該分析方法有助于全面正確地認(rèn)識(shí)高效節(jié)能變壓器的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 配電變壓器綜合能效費(fèi)用的計(jì)算公式

(1)綜合能效費(fèi)用(TOCEFC)應(yīng)包括:配電變壓器的初始費(fèi)用(CI)，空載損耗的等效初始費(fèi)用(POEFC)，負(fù)載損耗等效初始費(fèi)用(PKEFC)。其基本計(jì)算表達(dá)式為:

其中:Qo=Io%·Se×10－2Qk=Uk%·Se×10－2

式中:A—變壓器壽命期間單位空載損耗的等效初始費(fèi)用，元/kW;

B—變壓器壽命期間單位負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用，元/kW;

Po—變壓器空載有功損耗，kW;

Pk—變壓器負(fù)載有功損耗，kW;

Qo—變壓器空載無(wú)功損耗，kvar;

Qk—變壓器負(fù)載無(wú)功損耗，kvar;

Kq—無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，kW/kvar;一般取Kq=0.1 kW/kvar;

Io%—變壓器空載電流占額定電流的百分值，%;

Uk%—變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分值，%;

Se—變壓器額定容量，kVA。

(2)配電變電器單位空載損耗的等效初始費(fèi)用A系數(shù);其等值于期初的現(xiàn)值表達(dá)式為:

式中:Kpv—貼現(xiàn)率i，使用壽命為n年的現(xiàn)值系數(shù);

Ee—單位電度電費(fèi)，元/kWh;

Ec—單位容量電費(fèi)，即兩部電價(jià)中按最大需量收取的基本電費(fèi)，元/kWh;

T—變壓器年帶電小時(shí)數(shù)，通常為8 760 h;

(3)配電變壓器的單位負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用B系數(shù);其等值于期初的現(xiàn)值表達(dá)式為:

式中:βo—變壓器的初始負(fù)載率;

τ—年最大負(fù)載損耗小時(shí)數(shù)，h;τ值的典型值參見(jiàn)文獻(xiàn)［1］;

2.3 配電變壓器能效綜合評(píng)價(jià)的方法和步驟

對(duì)同類(lèi)型、不同容量配電變壓器能效綜合評(píng)價(jià)的方法和步驟如下:

(1)選定變壓器的類(lèi)型。根據(jù)有關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和節(jié)能要求，選擇變壓器的類(lèi)型。

(2)按照Se＞Sjs的容量選擇條件(Sjs為總計(jì)算負(fù)荷)，并依照變壓器的容量等級(jí)順序，選擇多種規(guī)格的變壓器作為待選方案。

(3)將有關(guān)的已知參數(shù)代入式(4)，分別計(jì)算出各規(guī)格變壓器的綜合能效費(fèi)用(TOC)值。

(4)依據(jù)有關(guān)的已知參數(shù)，分別計(jì)算出各規(guī)格變壓器的綜合功率等效初始費(fèi)用(PZEFC)值與變壓器壽命期間的電能損耗量(W)。

PZEFC值的計(jì)算表達(dá)式為:PZEFC=POEFC+PKEFC

W的計(jì)算表達(dá)式為:W=T(Po+KqQo)+τ·β2(Pk+KqQo).

(5)根據(jù)變壓器容量選擇的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性要求，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析比較，選擇TOC值(或CI值)最少和PZEFC值(或W值)最小的兩個(gè)方案，進(jìn)行進(jìn)一步分析比較，確定的經(jīng)濟(jì)容量即為變壓器在壽命期間可獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計(jì)容量。

3 應(yīng)用舉例

某一機(jī)械制造企業(yè)準(zhǔn)備安裝一臺(tái)新變壓器，其計(jì)算負(fù)荷為760 kVA，按照配電變壓器的選擇條件Se＞Sjs，分別選擇S11 系列800 kVA、1 000 kVA、1 250 kVA、1 600 kVA 四種規(guī)格的變壓器作為待選方案。該企業(yè)采用二班制生產(chǎn)，現(xiàn)要求借用綜合能效費(fèi)用法選擇變壓器的經(jīng)濟(jì)容量。分析評(píng)價(jià)的步驟如下:

3.1 確定待選變壓器的相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)

(1)根據(jù)四種規(guī)格的變壓器名牌，可獲得其基本技術(shù)參數(shù);

(2)根據(jù)業(yè)主的考慮，確定的經(jīng)濟(jì)參數(shù)為:變壓器使用年限20年、回報(bào)期望值8%;根據(jù)企業(yè)所在地區(qū)的電價(jià)結(jié)構(gòu)，月容量電費(fèi)為37.5元/kW、電度電費(fèi)為0.5元/kW;

(3)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)性質(zhì)及生產(chǎn)安排等情況，確定運(yùn)行參數(shù)為:變壓器負(fù)載率分別為 0.95、0.76、0.6、0.48;年帶電小時(shí)數(shù)8 760 h、年最大負(fù)載損耗小時(shí)數(shù)1 700 h;

3.2 分析計(jì)算

根據(jù)有關(guān)計(jì)算公式，得到各待選方案的等效初始費(fèi)用、綜合能效費(fèi)用、壽命期間的電能損耗等，分析計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 待選方案經(jīng)濟(jì)分析評(píng)價(jià)表

3.3 根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方案選擇與分析

(1)從表1中可以看出，若按TOC值或CI值最少的原則，進(jìn)行配電變壓器的容量選擇，應(yīng)當(dāng)選擇方案一。

(2)若按配電變壓器壽命期間綜合功率等效初始費(fèi)用最少或電能損耗量最小的原則進(jìn)行容量選擇，則應(yīng)當(dāng)考慮選擇方案三。

(3)若在配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)的層面上作進(jìn)一步的分析，從表中還可以看出，方案三的TOC值略高于方案一。雖然兩方案的CI差值為29 000元，但兩方案TOC值之差僅為9157元。這說(shuō)明方案三變壓器多投資的費(fèi)用中，有近70%的費(fèi)用，已由方案三本身突出的節(jié)能效果得到了補(bǔ)償。

(4)從變壓器壽命期間的電能損耗量計(jì)算結(jié)果看，兩方案之間的差值為29 228度。這意味著，采用方案三能為企業(yè)減少數(shù)量可觀的電能損耗量，這無(wú)論是從推進(jìn)企業(yè)節(jié)能工作，還是從社會(huì)效益方面講，無(wú)疑都具有十分重要的意義。

(5)此外，在相同計(jì)算負(fù)荷的條件下，方案三的負(fù)載率為0.6，方案一的負(fù)載率為0.95。選擇方案三，可為企業(yè)今后生產(chǎn)用電發(fā)展提供40%裕量，這顯然對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也是十分有利的。

經(jīng)上述分析比較:我們可以給出這樣一個(gè)結(jié)論，從變壓器容量選擇的綜合效益上考慮，選擇方案三(1 250 kVA)的容量，是可使變壓器在壽命期內(nèi)獲得經(jīng)濟(jì)效益最佳的設(shè)計(jì)容量。

4 結(jié)束語(yǔ)

在配電變壓器容量選擇中，借用變壓器能效分析評(píng)價(jià)的方法，綜合考慮各種因素對(duì)變壓器容量選擇經(jīng)濟(jì)性的影響，同時(shí)將配電變壓器的年電能損耗作為一項(xiàng)重要因素予以重點(diǎn)考慮，并通過(guò)進(jìn)一步的綜合分析比較，可使所選變壓器容量既能滿足經(jīng)濟(jì)性的要求，也能滿足企業(yè)節(jié)能工作的要求。從而可在綜合效益的層面上，使所選配電變壓器容量，較好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性的相對(duì)統(tǒng)一。

［1］丁毓山，高松.變壓器最佳容量確定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1996.

［2］中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院組編.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［Z］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.