變壓器的能效標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用

牛迎水，王 煒

(國網(wǎng)河南省電力公司鶴壁供電公司，河南鶴壁458030)

智能電網(wǎng)最基本的目標(biāo)是安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效和靈活互動。高效是指電能在輸送、轉(zhuǎn)換、利用等各個過程中，用更低的能源投入提供同等的能源服務(wù)。變壓器是電網(wǎng)電能變壓轉(zhuǎn)換的靜止電器，是電網(wǎng)中最重要的耗能元件之一。因此，確定變壓器的運行能效標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)變壓器的選配和運行，使變壓器在運行中節(jié)能高效是急待探索和解決的問題。

1 變壓器的能效標(biāo)準(zhǔn)

按照最新變壓器能效國標(biāo)規(guī)定，對于10 kV容量為30～1 500 kVA的油浸式配電變壓器和容量為30～2 500 kVA的干式配電變壓器，其能效標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》(GB 20052-2013);對于35～220 kV額定容量在3 150 kVA及以上的三相油浸式電力變壓器，其能效標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《電力變壓器能效限定值及能效等級》(GB 24790-2009)。變壓器的運行能效指標(biāo)主要體現(xiàn)為其運行的損耗率。下面針對上述兩類變壓器的能效參數(shù)，分別探索和研究符合現(xiàn)代配電網(wǎng)要求的變壓器運行能效標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 配電變壓器的運行能效標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 配變的能效等級簡介

根據(jù)《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》(GB20052-2013)，針對當(dāng)前10 kV三相油浸式配變的損耗水平，將S11、S13、S15三個系列分別定義為相應(yīng)的能效三級、二級和一級。其中，一級能效最高、損耗最低，同時進(jìn)一步要求降低能效一級的負(fù)載損耗。標(biāo)準(zhǔn)中的能效等級與配電變壓器型號的關(guān)系如表1所示。

表1 能效等級及與變壓器型號的關(guān)系

表1中，能效3級為配變的能效限定值。能效限定值是指在規(guī)定測試條件下，允許電力變壓器空載損耗和負(fù)載損耗的最高標(biāo)準(zhǔn)值，超過最高標(biāo)準(zhǔn)值加允許偏差的產(chǎn)品即為不合格產(chǎn)品。它是一個強制性指標(biāo)，如果變壓器的損耗高于該指標(biāo)就被認(rèn)為是高耗能產(chǎn)品。根據(jù)節(jié)能法的規(guī)定，這種變壓器是不能生產(chǎn)或被銷售的，凡生產(chǎn)和銷售這種高耗能變壓器的行為將被認(rèn)為是違法行為，要受到法律的處罰。

1.1.2 節(jié)能配變的評價標(biāo)準(zhǔn)

按照《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》(GB20052-2013)規(guī)定，三相油浸式節(jié)能配變的空載損耗和負(fù)載損耗值均應(yīng)不高于能效等級2級。三相油浸式普通配變的空載損耗和負(fù)載損耗值均應(yīng)不高于能效等級3級。就是說，凡是配變的功率損耗參數(shù)小于或等于配變能效國標(biāo)2級規(guī)定值的配變，屬于節(jié)能型配變;凡是配變的功率損耗參數(shù)高于配變能效國標(biāo)3級限定值的配變，均屬于高能耗配變。對照表1可見，凡是S10及以下系列的配變均屬于高能耗型，凡是S13及以上系列的配變均屬于節(jié)能型，S11型配變是非節(jié)能的普通型配變。

1.1.3 配變運行的損耗率計算

配變的綜合功率損耗包括空載損耗，負(fù)載損耗，空載電流無功損耗所引起的有功損耗，負(fù)載時繞組漏抗漏磁無功損耗所引起的有功損耗四個部分。其中，無功損耗對配變線損率的影響在0.001% ～0.009%，可以忽略不計。由于配變的四個參數(shù)數(shù)值均是在額定狀態(tài)下測定的，且已經(jīng)根據(jù)變壓器絕緣材料的等級折算成了標(biāo)準(zhǔn)線圈溫度換算值，因此進(jìn)行變壓器損耗率計算時，不再考慮線圈溫度的影響。

配變的綜合功率損耗ΔPz算式如下:

配變的綜合功率損耗率ΔPz%計算公式如下:

式中:P0——配變的空載損耗(kW);kT——負(fù)荷波動系數(shù)(負(fù)荷曲線形狀系數(shù)k的平方);PK——配變的額定負(fù)載功率損耗(kW);β——配變的負(fù)載系數(shù);P1、P2——配變的高、低壓側(cè)平均有功功率(kW);SN——配變的額定容量(kVA);cosφ ——配變負(fù)荷側(cè)的平均功率因數(shù)。

由式(2)可知，對于任何一個投入運行的配變，其主要技術(shù)參數(shù) SN、P0、PK是一定的。因此，在功率因數(shù)一定的條件下，配變的損耗率就隨著負(fù)荷波動系數(shù)、負(fù)載系數(shù)的變化而變化，只要確定了負(fù)荷波動系數(shù)KT，就可以計算出配變隨著負(fù)載系數(shù)而變化的損耗率?？梢詫⑴渥儞p耗率隨著負(fù)載系數(shù)而變化的規(guī)律稱為其能效特性。

1.1.4 運行配變的額定損耗率標(biāo)準(zhǔn)

配變額定損耗率是指在負(fù)荷系數(shù)β為1(滿載)的條件下的損耗率。下面根據(jù)式(1)、(2)，設(shè)定負(fù)荷曲線形狀系數(shù)為1.05，低壓側(cè)平均功率因數(shù)為0.95，計算2級能效(節(jié)能)10 kV常見配變的額定損耗率，以此作為其額定損耗率標(biāo)準(zhǔn)。見表2。

表2 10kV2級能效配變的損耗率標(biāo)準(zhǔn)

由表2可見，雖然都是節(jié)能型配變，其損耗率是隨著容量的減小而越來越高的。

1.2 電力變壓器的運行能效標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 電力變壓器的能效等級簡介

目前電力變壓器的能效國標(biāo)是《電力變壓器能效限定值及能效等級》(GB24790-2009)。該標(biāo)準(zhǔn)中的能效等級共分為3級，其中1級的產(chǎn)品能耗最低，是只有少數(shù)生產(chǎn)企業(yè)才能達(dá)到的技術(shù)水平，它是行業(yè)能效水平發(fā)展的目標(biāo)。2級是國內(nèi)的先進(jìn)水平，也是節(jié)能型電力變壓器的評價標(biāo)準(zhǔn)，約有20%左右的生產(chǎn)企業(yè)可以達(dá)到。3極為一般水平，是我國生產(chǎn)和銷售的所有產(chǎn)品必須達(dá)到的水平。該標(biāo)準(zhǔn)的1級定在S11的水平，2級定在S10的水平，3級定在S9的水平。

1.2.2 電力變壓器的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)能評價值是實施節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證和政府采購的依據(jù)，它是推薦性指標(biāo)，當(dāng)變壓器的損耗等于或低于所規(guī)定的節(jié)能評價值時，該變壓器就可結(jié)合其他指標(biāo)被節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證機構(gòu)評定為節(jié)能產(chǎn)品。獲得節(jié)能認(rèn)證的產(chǎn)品可享受國家鼓勵性節(jié)能政策，并進(jìn)入政府采購目錄之中。當(dāng)前，凡是能效參數(shù)符合2級(S10型)能效標(biāo)準(zhǔn)的電力變壓器均屬于節(jié)能型變>壓器。

1.2.3 電力變壓器運行的額定損耗率標(biāo)準(zhǔn)

在《電力變壓器能效限定值及能效等級》(GB24790-2009)中，明確給出了35～220 kV各類電力變壓器的空載損耗、負(fù)載損耗和短路阻抗三個能效參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中的T級(介于2級至3級之間)為目標(biāo)能效限定值標(biāo)準(zhǔn)，是指在規(guī)定測試條件下，在本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的年限(4年)后，將實施的電力變壓器空載損耗和負(fù)載損耗的最高限值，即到了2014年7月1日以后，電力變壓器將要實施的能效限定值。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，參考式(1)、(2)，設(shè)定雙繞組變壓器負(fù)荷曲線形狀系數(shù)為1.05，功率因數(shù)為0.95，無功經(jīng)濟當(dāng)量取0.04 kW/kVar?？梢酝扑愠鲎冸娬境Ｒ婋p繞組電力變壓器額定負(fù)載情況下的損耗率標(biāo)準(zhǔn)(相同容量三繞組電力變壓器的損耗率比雙繞組略低)。表3所示為常見110 kV變電站中雙繞組有載調(diào)壓變壓器的損耗率標(biāo)準(zhǔn)。

表3 110 kV油浸式雙繞組有載調(diào)壓變壓器的能效限定值標(biāo)準(zhǔn)

2 變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

本文中的表2、表3分別給出了不同容量變壓器的損耗率標(biāo)準(zhǔn)，正確運用這些標(biāo)準(zhǔn)，才能真正實現(xiàn)電網(wǎng)運行的高能效。

2.1 把握最小負(fù)載，優(yōu)選節(jié)能配變

配變的空載損耗、負(fù)載損耗以及其負(fù)載系數(shù)的大小決定了其損耗率的高低。從表2可以看出，即使所選配變完全滿足國標(biāo)規(guī)定的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，如果容量選擇不當(dāng)，同樣存在高損耗率的問題。因此，科學(xué)合理地選擇配變的型號和容量是決定其運行是否高效的關(guān)鍵。下面設(shè)定變壓器負(fù)荷曲線形狀系數(shù)為1.05，低壓側(cè)平均功率因數(shù)為0.95，以10 kV常見節(jié)能型配變(能效等級2級)的能效特性為例加以分析。圖1是10 kV不同容量節(jié)能型配變的損耗率特性圖。

圖1 10 kV不同容量節(jié)能型配變的能效特性圖

圖1中，橫坐標(biāo)表示配變的負(fù)載系數(shù)，縱坐標(biāo)表示其損耗率。曲線從上到下分別是容量50、100、200、315、400 kVA配變的特性曲線。

由圖1可見，隨著配變?nèi)萘康脑龃?，其損耗率越來越低，并且低損耗率區(qū)間越來越寬。因此，準(zhǔn)確掌握配變最小負(fù)載系數(shù)，對于合理選擇10 kV配變?nèi)萘烤哂兄卮蟮墓?jié)能意義。

(1)當(dāng)預(yù)計配變所帶負(fù)載的最小視在功率大于20 kVA時(此時，對于50 kVA配變其負(fù)載系數(shù)為0.4，損耗率為1.34%;對于100 kVA配變其負(fù)載系數(shù)為0.2，損耗率為1.14%;對于200 kVA配變其負(fù)載系數(shù)為0.1，損耗率為1.42%)，選用100 kVA的配變時損耗率最低，能效最高;(2)當(dāng)預(yù)計負(fù)載的最小視在功率大于30 kVA時，選用200 kVA的配變損耗率最低，能效最高;(3)當(dāng)預(yù)計負(fù)載的最小視在功率大于60 kVA時，選用315 kVA的配變損耗率最低，能效最高;(4)變壓器最佳損耗率范圍小于1.3%。

2.2 盡可能選用大容量的節(jié)能電力變壓器

在變電站(所)變壓器的規(guī)劃設(shè)計過程中，變壓器容量的選擇是決定變壓器能否經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。變壓器的容量若選擇過大，不但增加了初期投資，而且變壓器將長期處于空載或輕載運行狀態(tài)，使空載損耗的比重增大，功率因數(shù)降低，網(wǎng)絡(luò)損耗增加。這樣運行既不經(jīng)濟又不合理。變壓器容量若選擇過小，會使變壓器長期過負(fù)荷運行，易縮短使用壽命、損壞設(shè)備。因此，變壓器的額定容量應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷的需要進(jìn)行合理選擇，不宜過大或過小。科學(xué)合理地選擇變壓器型號和容量是決定變壓器運行是否高效的關(guān)鍵。

下面以110 kV不同容量1級能效雙繞組有載調(diào)壓變壓器為例，分析說明如下。

圖2中，橫坐標(biāo)表示變壓器負(fù)載系數(shù)，縱坐標(biāo)表示變壓器損耗率。圖中曲線從上到下分別是20 MVA、31.5 MVA、40 MVA、50 MVA、63 MVA 變壓器特性曲線。從圖中可見:(1)當(dāng)預(yù)計變壓器所帶負(fù)載的最小視在功率大于10 MVA時，選用31.5 MVA變壓器損耗率最低，能效最高;(2)當(dāng)預(yù)計變壓器所帶負(fù)載的最小視在功率大于16 MVA時，選用40 MVA或50 MVA變壓器損耗率最低，能效最高;(3)變壓器最佳損耗率范圍是小于0.55%?？梢?，準(zhǔn)確掌握變壓器最小負(fù)載對于合理選擇110 kV變電站變壓器容量具有重大的節(jié)能意義。

圖2 110 kV雙繞組有載調(diào)壓1級能效變壓器的能效特性圖

3 結(jié)束語

電網(wǎng)中運行的變壓器數(shù)量是巨大的，同時節(jié)能潛力也非常大。只有明確節(jié)能型變壓器標(biāo)準(zhǔn)，掌握變壓器容量的科學(xué)選配，依托電能量采集系統(tǒng)等技術(shù)手段，準(zhǔn)確管控變壓器運行負(fù)載系數(shù)，科學(xué)評估其運行狀態(tài)，實時調(diào)整配變?nèi)萘?，始終保持變壓器處于經(jīng)濟運行的高能效狀態(tài)，則可帶來巨大的降損效益。

［1］ 牛迎水.電力網(wǎng)降損節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與案例分析［M］.北京:中國電力出版社，2013.

［2］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB20052—2013三相配電變壓器能效限定值及能效等級［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

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

［4］ 廖學(xué)琦，鄭大方.城鄉(xiāng)電網(wǎng)線損計算分析與管理［M］.北京:中國電力出版社，2011.