化工廠配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與應(yīng)用

吳羽生

（成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，成都 610021）

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中電壓變換的主要設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于輸電和配電領(lǐng)域。變壓器在運(yùn)行過程中，自身要產(chǎn)生有功功率損耗和無功功率損耗。因此，必須根據(jù)變壓器的有關(guān)技術(shù)參數(shù)，合理地選擇變壓器的負(fù)載率和運(yùn)行方式，加強(qiáng)變壓器的運(yùn)行管理，降低變壓器的運(yùn)行損耗[1]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)電力系統(tǒng)配電變壓器已有大量的研究。文獻(xiàn)[2]在分析、計(jì)算變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的基礎(chǔ)上，研究了負(fù)載功率因數(shù)對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)[3]分析了變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)載率和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，提出了變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中要注意的問題。文獻(xiàn)[4]介紹了多種經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的劃分方法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行了深入比較。在化工企業(yè)中，不同的生產(chǎn)工序?qū)?yīng)不同的用電負(fù)荷，且各種用電負(fù)荷大小相差較大。因此，在供配電設(shè)計(jì)中，常按化工工藝生產(chǎn)流程分區(qū)域配電。本文針對(duì)化工企業(yè)中配電變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)，在兩部制電價(jià)計(jì)費(fèi)的基礎(chǔ)上，從變壓器自身容量出發(fā)，綜合考慮變壓器的運(yùn)行效率、能量損耗、折舊等因素，對(duì)變壓器的負(fù)載率和年總運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行研究，提出了變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載率的計(jì)算方法，給變壓器容量的選擇和負(fù)載調(diào)整的優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 變壓器的損耗與效率

1.1 變壓器的損耗

變壓器功率損耗，除了有功損耗，包括鐵耗（空載損耗）和銅耗（負(fù)載損耗）外，還有無功損耗，包括變壓器磁化過程中的空載無功損耗和變壓器繞組電抗中的負(fù)載無功損耗。因?yàn)樽儔浩鬟\(yùn)行過程中需要使用無功損耗而導(dǎo)致電網(wǎng)增加有功損耗，所以變壓器的綜合功率損耗為

式中，ΔP為綜合功率損耗，kW；ΔP0為空載有功損耗，kW；ΔPK為負(fù)載有功損耗，kW；ΔQ0為空載無功損耗，kvar；ΔQK為負(fù)載無功損耗，kvar；β為負(fù)載率，β=S/Se，其中S為變壓器的負(fù)載容量，Se為變壓器的額定容量，單位均為kVA；K為變壓器的無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，kW/kvar，通常對(duì)35~110kV降壓變壓器取0.1[5]。

1.2 變壓器的效率

變壓器的效率是指變壓器輸出的有功功率與輸入的有功功率的比值。

式中，η為變壓器的效率；cosφ為負(fù)載功率因數(shù)。

對(duì)于給定的變壓器，其額定容量、空載損耗和負(fù)載損耗是一定的，因而效率η只與負(fù)載率和負(fù)載功率因數(shù)有關(guān)，當(dāng)功率因數(shù)一定時(shí)，效率就僅僅是負(fù)載率的函數(shù)，即η=f(β)。

當(dāng)dη/dβ=0，產(chǎn)生最大效率，變壓器運(yùn)行損耗最低。即

變壓器的負(fù)載率β=βm時(shí)，變壓器的效率最高。稱最高效率時(shí)的負(fù)載率為經(jīng)濟(jì)負(fù)載率。

現(xiàn)以化工廠常用的10kV級(jí)Dyn11接線配電變壓器為例，研究變壓器效率與負(fù)載率的關(guān)系。該變壓器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Dyn11變壓器技術(shù)參數(shù)

表1中，I0%為空載電流百分比，Uk%為短路電壓百分比。設(shè)負(fù)載功率因數(shù)cosφ=0.9，則變壓器效率與負(fù)載率關(guān)系如圖1所示。

圖1 變壓器效率與負(fù)載率的關(guān)系曲線

由圖1可知，在β=0.3~0.4范圍時(shí)，變壓器效率達(dá)到最大值，但是此時(shí)的負(fù)載率相對(duì)較低，變壓器容量未得到充分利用，不利于變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，所以僅僅從變壓器效率出發(fā)討論變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)載率具有一定的局限性。

2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

為了使變壓器運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)、更合理，在考慮變壓器運(yùn)行效率的同時(shí)，應(yīng)綜合考慮變壓器成本、運(yùn)行費(fèi)用、負(fù)荷類型等因素，從變壓器運(yùn)行費(fèi)用上確定經(jīng)濟(jì)負(fù)載率。變壓器的年總運(yùn)行費(fèi)由年固定運(yùn)行費(fèi)和年變化運(yùn)行費(fèi)組成。

2.1 年固定運(yùn)行費(fèi)

年固定運(yùn)行費(fèi)是指短期內(nèi)不隨變壓器工作量的變化而變化的費(fèi)用，包括基本折舊費(fèi)、空載損耗費(fèi)和安裝容量的基本電費(fèi)。

式中，Mg為年固定運(yùn)行費(fèi)用；A為變壓器價(jià)格，取變壓器價(jià)格為20萬；r為年綜合折舊率，包括基本折舊及大修、維修、提存費(fèi)用等，取r=5.39%；t為變壓器的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，正常情況下，化工企業(yè)為了得到最大的經(jīng)濟(jì)利益，常采用多班倒生產(chǎn)制度，進(jìn)一步考慮故障時(shí)間，取t=8000h；Dj為基本電價(jià)，元/kVA，目前各地基本電價(jià)有所不同，取基本電價(jià)為20元/kVA；Dd為電量電價(jià)，元/kW·h。

該變壓器年固定運(yùn)行費(fèi)如表2所示。

表2 變壓器年固定運(yùn)行費(fèi)

由表2可知，年固定運(yùn)行費(fèi)用主要由基本電費(fèi)組成，基本電費(fèi)占年固定運(yùn)行費(fèi)用的95.2%。目前我國(guó)對(duì)電力設(shè)備容量大于315kVA的用戶均采用兩部制電價(jià)計(jì)費(fèi)，電價(jià)由基本電價(jià)和電量電價(jià)兩部分組成[6]。其中基本電價(jià)只與變壓器安裝容量有關(guān)，在基本電價(jià)一定的情況下，年固定運(yùn)行費(fèi)用同變壓器容量大小成正比，容量越大，其固定運(yùn)行成本越高。

2.2 年變化運(yùn)行費(fèi)

年變化運(yùn)行費(fèi)是指短期內(nèi)隨著變壓器工作量的變化而變化的費(fèi)用，包括隨負(fù)載變化的有功損耗。

式中，Mb為年變化運(yùn)行費(fèi)用；S為實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷。

該變壓器的年變化運(yùn)行費(fèi)用與負(fù)載率關(guān)系如圖2所示。

圖2 變壓器年變化運(yùn)行費(fèi)與負(fù)載率關(guān)系曲線

年變化運(yùn)行費(fèi)用與變壓器負(fù)載率成正比關(guān)系，隨負(fù)載率的增大而增大。β=S/Se，所以年變化運(yùn)行費(fèi)用與變壓器容量成反比，變壓器容量越大，其年變化運(yùn)行費(fèi)用越小。

3.3 變壓器容量與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

變壓器的年總運(yùn)行費(fèi)用等于年固定運(yùn)行費(fèi)和年變化運(yùn)行費(fèi)之和。

對(duì)配電變壓器來說，其容量的大小直接決定了固定運(yùn)行費(fèi)用和變化運(yùn)行費(fèi)用的多少。在化工廠中，為保證工藝生產(chǎn)流程的正常運(yùn)行，各用電負(fù)荷保持相對(duì)持續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行。在式（6）中，假設(shè)變壓器在穩(wěn)定負(fù)荷情況下運(yùn)行，即變壓器的計(jì)算負(fù)荷已經(jīng)確定，我們討論總運(yùn)行費(fèi)用M與容量Se的函數(shù)關(guān)系，即。當(dāng)時(shí)，變壓器的運(yùn)行費(fèi)用最小、最經(jīng)濟(jì)，即

圖3 變壓器年總運(yùn)行費(fèi)與容量關(guān)系曲線

變壓器年總運(yùn)行費(fèi)用與容量關(guān)系如圖3所示。當(dāng)Se＜Sm時(shí)，年總運(yùn)行費(fèi)用主要由年變化運(yùn)行費(fèi)用組成；當(dāng)Se=Sm時(shí)，年總運(yùn)行費(fèi)用最少、最經(jīng)濟(jì)；當(dāng)Se＞Sm時(shí)，年總運(yùn)行費(fèi)用主要由年固定運(yùn)行費(fèi)用組成。

進(jìn)一步可知

從式（8）可以看出，變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)載率不但和變壓器自身設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，還跟變壓器的運(yùn)行負(fù)荷和市場(chǎng)電價(jià)因素密切相關(guān)。

另外，通過對(duì)不同容量等級(jí)的配電變壓器進(jìn)行計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)如果要讓變壓器基本容量與負(fù)載容量達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的匹配狀態(tài)，那么變壓器往往處于過負(fù)載運(yùn)行工況，這就對(duì)變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和過負(fù)荷承受能力提出來更高的要求。

4 結(jié)論

變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載率的確定若僅僅從變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)，按運(yùn)行時(shí)效率最高，功率損耗最低考慮，得到的變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載率偏低，與實(shí)際負(fù)荷使用要求相差太大，沒有實(shí)用價(jià)值。應(yīng)該從變壓器年運(yùn)行費(fèi)用出發(fā)，考慮變壓器成本、運(yùn)行費(fèi)用、負(fù)荷類型等因素來確定變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載率。

另外，通過對(duì)實(shí)際化工廠配電變壓器運(yùn)行的分析，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)人員在配電變壓器容量的選擇上提供一定的參考依據(jù)。

[1]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.

[2]劉秋英,李強(qiáng).影響變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的兩個(gè)重要因素及優(yōu)化措施[J].電工電氣,2010(4).

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[4]佘楚云,李永健,徐偉,等.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間劃分方法研究[J].電氣應(yīng)用,2009(17).

[5]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.

[6]賀建閩,黃治清.牽引變壓器容量的合理選擇[J].電氣化鐵道,2005(6).