節(jié)能型配電變壓器比較及應用研究

潘麗珠，楊孝志，王鳳霞，程石，朱煥軍，宮揚非國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院；國網(wǎng)安徽省電力公司物資公司

節(jié)能型配電變壓器比較及應用研究

潘麗珠1，楊孝志1，王鳳霞1，程石1，朱煥軍2，宮揚非2
1國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院；2國網(wǎng)安徽省電力公司物資公司

配網(wǎng)負荷存在季節(jié)性強、負荷波動大和峰谷差大的特點，變壓器全年輕載甚至空載時間較長，配變鐵損比重大。為積極引導用戶采用節(jié)能設備，本文對國網(wǎng)公司推薦采用的幾種節(jié)能型配電變壓器能效特性進行分析研究。

節(jié)能；配電變壓器；研究

引言

配電變壓器使用量大、應用范圍廣、運行時間長，采用新技術、新材料、新工藝的節(jié)能型配電變壓器已成為配電網(wǎng)節(jié)能降損的有效途徑?！秶译娋W(wǎng)公司新技術目錄（2014版）》和《國家電網(wǎng)公司重點推廣新技術目錄（2014版）》中，節(jié)能型變壓器等再次成為未來幾年新技術推廣目錄。節(jié)能配電變壓器主要包括S13型立體卷鐵心變壓器、非晶合金變壓器、自動調容調壓變壓器等。根據(jù)目錄規(guī)劃，2014～2016年新增配電變壓器中，S13型及非晶變壓器等節(jié)能型變壓器所占比例不低于60%，自動調容調壓變壓器不低于15%。2017～2019年，新增配電變壓器全部采用節(jié)能型變壓器。

本文針對S13型立體卷鐵心變壓器、SH15非晶合金變壓器、自動調容調壓變壓器的應用進行分析研究。

1　節(jié)能配電變壓器介紹

S13型立體卷鐵心變壓器采用三相對稱立體式結構，三相鐵芯磁路完全對稱，磁阻大大減少，勵磁電流、空載損耗顯著降低，運行噪音低，結構緊湊，屬于節(jié)能、環(huán)保、超靜音的綠色電力變壓器。SH15非晶合金變壓器由于使用了一種新的軟磁材料——非晶合金，使其性能超越了各類硅鋼變壓器。自動調容調壓變壓器是一種具有兩種不同額定容量，可根據(jù)負載變化進行高壓繞組聯(lián)結方式的改變以及低壓繞組并、串聯(lián)的轉換，在用電負荷高峰時段自動將變壓器調整到大容量檔運行，在用電負荷低谷時段自動將變壓器調整到小容量運行的變壓器，可大大降低空載損耗。

變壓器運行性能參數(shù)主要包括固定存在的空載損耗和帶負荷狀態(tài)下的負載損耗。本文以S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器、SH15非晶合金變壓器、S13-M.ZT自動調容變壓器為例，對比同容量變壓器的技術參數(shù)，SH15非晶合金變壓器的空載損耗最低，比S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器低50%，而S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器空載電流比SH15非晶合金變壓器低40-50%，自動調容調壓變壓器具有兩種額定容量，在小容量運行時，空載損耗和空載電流都相對較低，可大幅降低其年損耗。S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器空載電流小，變壓器無功損耗大大降低，可以減少無功補償設備的投入，節(jié)省無功補償設備投資和運行費用。

2　S13與SH15配電變壓器能效特性

實際運行中的負載損耗為β2Pk（負載系數(shù)β=S/SN），變壓器處于高效運行狀態(tài)才達到節(jié)能效果。變壓器效率

式中，cosθ為變壓器功率因數(shù)，β為負載系數(shù)。當dη/dβ=0時，變壓器達到最高效率，根據(jù)S13-M.RL和SH15技術參數(shù)分別計算出兩者的最佳負載系數(shù)βmax和最高效率ηmax（功率因數(shù)cosθ= 0.9），如表1所示，S13-M.RL變壓器負載系數(shù)在31%～34%區(qū)間時效率最高，而SH15非晶變壓器負載系數(shù)在21%～22%區(qū)間時效率最高，可見兩種類型變壓器都適宜在低負載區(qū)域運行，非晶合金變壓器最佳運行負載率比立體卷鐵心變壓器低。小容量SH15非晶合金變壓器最高效率略高于S13立體卷鐵芯變壓器，隨著配變容量的增大，S13立體卷鐵心變壓器效率提高。

表1　兩種變壓器能效參數(shù)比較

下圖中▲、×、■曲線分別表示容量為50、200和500的兩種變壓器能效特性，無功經濟當量取0.05，功率因數(shù)cosθ=0.9，不考慮負荷波動，橫坐標為負載系數(shù)，縱坐標表示變壓器綜合損耗率。兩種節(jié)能型配電變壓器隨著容量的增大，其損耗率越來越低。負載系數(shù)低于70%時，同一容量的SH15非晶合金變壓器綜合損耗率略低于S13立體卷鐵芯變壓器；而當負載系數(shù)高于70%時，同一容量的SH15非晶合金變壓器綜合損耗率略高于S13立體卷鐵芯變壓器。從理論上來說，兩種節(jié)能型變壓器較宜選用較大容量，且安裝在負載系數(shù)偏低（21%～34%）的配電臺區(qū)，可達到節(jié)能高效的運行狀態(tài)。

圖1　S13-M.RL立體卷鐵芯配電變壓器能效特性

變壓器一年運行按360天，每天運行24小時，由于空載損耗（即鐵耗）在變壓器運行期間一直存在，故全年空載時間為8640小時；變壓器年運行平均負載系數(shù)按0.5計算，根據(jù)負載損耗（即銅耗）與電流的平方成正比的規(guī)律，則實際負載損耗為額定負載損耗的1/4，則等效滿載數(shù)為360×24×1/4=2160小時。變壓器年運行費用為Cy

式中，Ap為電價，按0.65元/kWh計算，兩種變壓器的年運行費用如表1所示，SH15非晶變壓器的年運行費用低于S13-M.RL立體卷鐵心變壓器，隨著配變容量的增大，兩種變壓器的年運行費用差距增大。

圖2　SH15非晶合金配電變壓器能效特性

3　自動調容調壓變壓器能效

采用變壓器自動調容技術，假設1年中處于小容量運行狀態(tài)時間按9個月計算，處于小容量運行狀態(tài)3個月，全年空載時間為8640小時，變壓器年運行平均負載系數(shù)按0.5計算，則變壓器的年運行費用如表2所示。對于小容量運行9個月，大容量運行3個月的季節(jié)性負荷，同容量的自動調容變壓器年運行費用與SH15非晶合金變壓器接近，比S13立體卷鐵芯變壓器年運行費略低。

自動調容變壓器具有兩種額定容量，其節(jié)能降耗的優(yōu)化計算可分別考慮有供損耗最小、無功損耗最小以及綜合功率損耗最小三種情況。如果用戶以節(jié)約有功電量為主，可按有功經濟運行進行優(yōu)化；如果以提高功率因數(shù)為主，可按無功經濟運行優(yōu)化；如果兩者兼顧或以降低系統(tǒng)損耗為主，則按綜合功率經濟運行優(yōu)化。表2為S13-M.ZT自動調容變壓器有功、綜合臨界負載點，如果按表4中有功經濟運行進行優(yōu)化，小容量運行時負載系數(shù)超過40%則自動調節(jié)至大容量運行。按無功經濟當量取0.05，功率因數(shù)cosφ=0.9，不考慮負荷波動，圖3中△、■曲線分別為容量為160 （50）和500（160）的自動調容變壓器能效特性，橫坐標為負載系數(shù)，縱坐標表示變壓器綜合損耗率。

表2　S13-M.ZT-160(50)～500(160)調容變

圖3　S13-M.ZT自動調容變壓器能效特性

圖4中▲、×、□曲線分別為315kVA自動調容、S13-M.RL和SH15三類節(jié)能型配電變壓器的能效特性。負載系數(shù)在5%～10%區(qū)間內，S13-M.ZT 315（100）自動調容變壓器的綜合損耗率最低，能效特性最優(yōu)；負載系數(shù)在10%～50%區(qū)間內，SH15-315非晶合金變壓器的綜合損耗率最低，能效特性最優(yōu)；負載系數(shù)在50%～70%區(qū)間內，SH15-315非晶合金變壓器與S13-M.RL 315立體卷鐵芯配電變壓器的綜合損耗率相差很?。荒苄匦韵喈?；負載系數(shù)大于70%時，S13-M.RL315立體卷鐵芯配電變壓器的綜合損耗率最低。由此可見，一臺低損耗的變壓器并不是在任何負載水平下都是高效的，不同負載率狀態(tài)下配電變壓器的節(jié)能效果可能有很大差別，如果容量選擇不當，同樣存在高損耗率的問題。

節(jié)能型配電變壓器負載系數(shù)為21%～34%時，可達到節(jié)能高效的運行狀態(tài)。若按綜合損耗率最低時的最佳負載率選擇配電變壓器容量，會導致變壓器容量選擇過大，與之配套的開關等設備的開斷能力要求高，增加一次投資和年運行費，節(jié)約的電能損耗電費可能難以補償初期投資費用的增加，故選擇節(jié)能型配電變壓器的容量應從節(jié)約資金和節(jié)約電能等方面進行量化比較來決定，變壓器容量選擇方法是多種多樣，比如綜合費用分析法、最佳效益法等，應結合負荷特點，從節(jié)能、經濟等多方面考慮選取變壓器，使其達到最佳。

圖4　三類節(jié)能變壓器能效特性比較

4　應用場所

自動調容調壓變壓器適用于季節(jié)性、時段性負荷變化差異大，年平均負載率低的地區(qū)。因自動調容調壓變壓器在調節(jié)容量時，會出現(xiàn)最長持續(xù)40ms的電壓跌落，適合使用如水利灌溉地區(qū)、季節(jié)性旅游景區(qū)、季節(jié)性返鄉(xiāng)地區(qū)、其他負荷變化較大且允許出現(xiàn)最長持續(xù)40ms的電壓跌落地區(qū)；而對供電電源穩(wěn)定性要求高及政治供電需求高的地區(qū)和用戶不適用，如醫(yī)療、航天、精密設備生產等。

非晶合金配電變壓器由于噪音較大，價格偏高，目前不太適于過小容量配電臺區(qū)，且安裝地點不宜過于靠近居民小區(qū)和用戶，不宜過負荷運行。S13型立體卷鐵心變壓器噪音低，性價比高，可考慮在靠近居民小區(qū)、商業(yè)中心等配電臺區(qū)使用，過負荷能力較強。

5　結語

配電變壓器的空載損耗、負載損耗以及負載系數(shù)的大小決定了變壓器損耗率的高低。國網(wǎng)公司推廣的節(jié)能型配電變壓器均具有較高的能效，但若容量選擇不當，不僅存在高損耗率問題，且用戶應擔負更高的經濟支出，應根據(jù)臺區(qū)負荷大小、性質合理選擇配電變壓器的型號和容量，才能最大程度發(fā)揮其節(jié)能效果。

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潘麗珠（1976-），女，工程師，從事電網(wǎng)節(jié)能、電能質量相關研究。