基于降低損耗和控制投資的變壓器容量選擇

■　王彥利

基于降低損耗和控制投資的變壓器容量選擇

■王彥利

針對當前地鐵供電領域單純考核空載損耗選擇變壓器容量的認知，結合真實變壓器的具體損耗數(shù)值，理論上全面分析變壓器總損耗的影響因素，闡明變壓器總損耗的主要控制因素是負載損耗，指出業(yè)內偏重空載損耗認知的錯誤，推導了基于總損耗最小的變壓器經濟運行負載，提出按照綜合經濟指標最優(yōu)選擇變壓器容量的原則和方法。

變壓器；損耗；投資；容量選擇

0　引言

變壓器廣泛應用于國民經濟的各個領域，裝機容量和安裝數(shù)量都很龐大，并且還將有更多的變壓器持續(xù)投入運營。變壓器運行中產生的損耗同樣龐大，基于節(jié)約能源和保護環(huán)境的需要，在選擇變壓器容量時，有效控制變壓器總損耗的意義非常重大。

基于變壓器的空載損耗、負載損耗和采購成本都隨變壓器容量的增加而增加，當前主要的技術資料和眾多業(yè)界技術人員認為，在滿足負載要求的條件下，選擇的變壓器容量越小則空載損耗越小且投資越少，為了降低變壓器損耗和設備投資，應盡可能選擇小容量變壓器。

近十年來，變壓器導磁材料的技術水平逐步提高且成本大幅降低，工廠的生產制造水平進一步提高，變壓器空載損耗大幅下降，降低變壓器空載損耗所需費用相應減小，變壓器總損耗中空載損耗的占比也越來越少，容量接近的變壓器空載損耗相差不大。但伴隨變壓器導磁材料的技術進步，變壓器導體材料并未出現(xiàn)大的進步，負載損耗成為變壓器損耗的主要構成部分，不同容量的變壓器在相同負載條件下的負載損耗相差較大，業(yè)內少數(shù)技術人員認識到片面減小空載損耗、忽視負載損耗而選擇更小容量變壓器的認知是不準確的。

變壓器是供電系統(tǒng)的核心設備之一［1］，因此，針對城市軌道交通龐大的供電系統(tǒng)來說，降低變壓器運行總損耗，非常有必要定量分析研究變壓器空載損耗、負載損耗和購置成本與變壓器全生命周期內綜合費用的關系。

1　變壓器損耗

1.1損耗計算

變壓器損耗包括空載損耗和負載損耗。當變壓器二次繞組開路、一次繞組施加額定頻率的額定電壓時，所消耗的有功功率稱為空載損耗，主要為變壓器鐵芯的磁滯損耗，俗稱“鐵損”。當變壓器二次繞組短路、一次繞組流通額定頻率的額定電流時，所消耗的有功功率稱為負載損耗，主要為變壓器線圈的電阻損耗，俗稱“銅損”?？蛰d損耗和負載損耗構成變壓器總損耗。

當變壓器負載率不隨時間變化時，其總損耗計算如下：

式中：Pt為變壓器總損耗，kW；P0為變壓器空載損耗，kW；Pk為變壓器額定負載損耗，kW；β為變壓器負載率。

當變壓器負載率隨時間變化時，其總損耗計算如下［2］：

式中：T為變壓器運行時間段，s。

1.2變壓器損耗數(shù)據(jù)分析

為了明確變壓器空載損耗和負載損耗與總損耗的關系，選取當前市場上較具代表性的變壓器損耗參數(shù)進行分析。國內某變壓器制造商的35/0.4 kV系列干式配電變壓器的空載損耗和額定負載損耗的數(shù)值見表1，其他變壓器制造商的參數(shù)基本相當。

可以看出：

（1）同一變壓器的額定負載損耗數(shù)值遠大于空載損耗數(shù)值；

（2）同一變壓器的空載損耗和額定負載損耗都隨容量的增加而增加，額定負載損耗的增長率遠高于空載損耗。

2　相同負載在不同容量變壓器產生的總損耗

按照變壓器的損耗數(shù)值，相同負載在不同容量變壓器上產生的總損耗值見表2，變化趨勢見圖1。

可以看出：

（1）負載S1、S2、S3和S4隨著變壓器容量的增大而逐漸減??；

（2）負載S5、S6和S7在大容量和小容量變壓器上的損耗更大，在中間容量變壓器上的損耗更低，即存在損耗最低的最優(yōu)變壓器容量；

（3）負載S8隨變壓器容量的增大而逐漸增加。

因此，相同負載在不同容量變壓器上產生的總損耗，并非選用變壓器的容量越大總損耗越大?！霸跐M足負載的條件下，基于降低變壓器損耗和設備投資的目的，應盡可能選擇小容量變壓器”的觀點并不普遍適用，選擇小容量的變壓器可以降低空載損耗，但總損耗在更多情況下是增加的。

圖1　不同容量35/0.4 kV干式變壓器在相同負載的總損耗

3　變壓器的經濟運行負載

根據(jù)以上分析，對于容量大小不同的變壓器存在一個特定負載，當真實負載小于該特定負載時，選擇小容量變壓器（T?。r的總損耗低；當真實負載大于該特定負載時，選擇大容量變壓器（T大）時的總損耗低，該特定負載稱為“臨界負載”。

表1　35/0.4 kV干式變壓器空載損耗和額定負載損耗值

表2　不同容量35/0.4 kV干式變壓器相同負載的總損耗值　　　　kW

對于確定的負載S，在T大和T小上產生的總損耗為：

式中：S為負載容量，kVA；S大、S小分別為T大和T小的額定容量，kVA；P大、P小分別為T大和T小在負載S時的總損耗，kW；P0大、P0小分別為T大和T小的空載損耗，kW；Pk大、Pk小分別為T大和T小的額定負載損耗，kW。

令P=P，則可得出T和T的經濟運行負載S［3］：

大小大小經濟

在工程應用中，不同容量變壓器的空載損耗和負載損耗不同，在相同負載條件下，總損耗小者為優(yōu)。當負載容量大于S經濟時應選用T大，當負載容量小于S經濟時應選用T小。

4　變壓器容量選擇

工程中選擇變壓器容量時，除了必須滿足初、近、遠期的負荷要求外，同時應考慮變壓器的采購成本和電網(wǎng)占容費用，還應核算變壓器總損耗尤其是負載損耗產生的運行費用。

對于同類型變壓器，容量越大采購成本、空載損耗成本和電網(wǎng)占容費用越高，但在確定負載下的變壓器負載損耗卻呈降低趨勢，考慮負載損耗一般遠大于空載損耗，因此不能簡單認為選擇相對小的容量就能夠節(jié)約能源或節(jié)約總成本，應在變壓器全生命周期內綜合考慮變壓器損耗、設備購置費用和電網(wǎng)占容費用，進行計算比較選擇全生命周期綜合費用最少的變壓器容量，計算方式如下：

式中：M為變壓器全生命周期綜合費用，元；F采購為變壓器采購價格，元；F占容為變壓器電網(wǎng)占容費用，元；E損耗為變壓器全生命周期內總損耗消耗的能量，kW·h；P電價為變壓器應用地的電費價格，元/（kW·h）。

式（6）中E損耗為變壓器全生命周期內總損耗消耗的全部能量，在計算負載損耗時，需考慮變壓器在不同年份、季節(jié)、月份和每天不同時段的負載率變化情況。變壓器的全生命周期一般選擇30年，也可根據(jù)設備本身及其材料的使用情況調整。

5　結束語

工程中選擇變壓器容量時，為了降低變壓器空載損耗而優(yōu)先選擇小容量變壓器的認識是片面的，多數(shù)情況下選擇較大容量變壓器時的總損耗更低，當然過分追求降低變壓器負載損耗而選擇過大容量變壓器的認識也不全面。

正確的變壓器容量選擇方法，應是在滿足變壓器負載率的條件下，重點考核變壓器的負載損耗，計算變壓器的經濟運行負載，綜合比較變壓器全生命周期的空載損耗、負載損耗，納入計算變壓器一次性的購置費用和電能增容費用，按照變壓器全生命周期綜合費用最低的原則，爭取選定變壓器的最優(yōu)容量。

［1］ 智慧，劉明強，吳萍，等.高速鐵路牽引變壓器安裝容量優(yōu)化研究［J］.中國鐵路，2014（10）：34-37.

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

［3］ 胡景生.變壓器經濟運行［M］.北京：中國電力出版社，1999.

王彥利：深圳市市政設計研究院有限公司，副總工程師，高級工程師，廣東 深圳，518000

責任編輯高紅義

U224

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1672-061X（2016）04-0024-03