某熱源廠配電變壓器選擇及能效分析

唐愷亮，張繼強

摘要：隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的持續(xù)發(fā)展，環(huán)境污染問題變得愈發(fā)突出。而其中的大氣污染是環(huán)境污染的重要組成部分之一，對人們的身心健康造成了較大的影響，同時制約著我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展。為解決人們的“心肺之患”，促進綠色的生產(chǎn)和生活方式，實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，國家持續(xù)推進大氣污染治理，完善大氣環(huán)境管理制度。推出“大氣污染防治十條措施”，對燃煤鍋爐進行了全面整治。本文針對某燃氣鍋爐房的負荷分布情況及供配電系統(tǒng)特點，從能耗的角度對變壓器的選擇進行了分析對比。重點對比了在用戶負荷不變的情況下，變壓器容量以及變壓器型號兩個維度的變化對工程總能耗的影響。分析的結(jié)果表明，使用新型節(jié)能變壓器初始成本更高，但在長期使用的情況下，新型節(jié)能變壓器給工程運行所節(jié)約的電費能覆蓋這部分多出的成本，同時節(jié)約了電能消耗，更符合國家節(jié)能降耗的要求。

關(guān)鍵詞：變壓器;能效標準;節(jié)能評價;綜合損耗計算

中圖分類號：TM421

0前言

燃氣鍋爐由于使用的是清潔能源，做到了燃燒清潔、排放污染低、成本適中，并且符合國家藍天工程的政策，近年來在新建及改擴建的熱源廠得到了廣泛應(yīng)用。在這樣的背景下，對熱源廠的變壓器能耗問題進行研究，在滿足工藝使用需求的情況下，進一步降低變壓器的損耗，即符合節(jié)能減排的政策目標，又滿足業(yè)主單位對于成本管控的需要。

1工程概況

某熱源廠工程，安裝有2臺燃氣鍋爐，承擔著周圍居民的冬季供暖任務(wù)，屬當?shù)刂匾裆こ?，具有較大的社會影響力。熱源廠的用電負荷分為日常負荷及冬季季節(jié)性負荷兩部分：日常負荷及冬季季節(jié)性負荷合計計算功率約為988kW。其中季節(jié)性負荷占比約為90%，且均為二級負荷。日常負荷占比約為10%，大部分為三級負荷。

2供配電系統(tǒng)分析

考慮到本工程的負荷性質(zhì)，若中斷供電將造成本熱源廠供熱區(qū)域內(nèi)所有用戶停止供暖，造成較大的經(jīng)濟損失及社會影響。因此熱源廠整體為二級負荷，其中日常負荷占所有負荷的10%且大部分為三級負荷，冬季季節(jié)性負荷占所有負荷的90%且大部分為二級負荷[1]。

本項目用電負荷的特點為：①二級負荷占比很高，并且大部分二級負荷為冬季季節(jié)性負荷;②二級負荷中的鼓風機、引風機和循環(huán)泵等設(shè)備功率較大、臺數(shù)較少，因此其單臺設(shè)備功率在總負荷中的占比較大，設(shè)備啟動時啟動沖擊電流較大。

一般情況下，配電變壓器較大時，根據(jù)各地供電部門的相關(guān)要求及繼電保護的需要，10kV開關(guān)柜宜采用斷路器+微機綜保的保護配置，并且10kV進線側(cè)通常采用定時限保護，以滿足市政電網(wǎng)的相關(guān)要求。本熱源廠屬于當?shù)仉娏ο到y(tǒng)的終端用戶，根據(jù)電力部門對用戶10kV總進線開關(guān)處繼電保護設(shè)置的要求，通常將保護類型設(shè)定為定時限保護，并按照變壓器安裝容量高壓側(cè)額定電流的1.2倍作為過流系數(shù)進行整定[2]。為避免因大功率設(shè)備啟動時沖擊電流較大，使高壓側(cè)實際電流值大于10kV進線斷路器定時限保護整定值而跳閘，宜配置較大容量變壓器、大功率設(shè)備宜采用變頻啟動，以確保變配電系統(tǒng)長期可靠運行。

綜合考慮以上情況，本項目共設(shè)置三臺主變：兩臺大容量采暖期專用變（一用一備）及一臺小容量日常變。在非采暖期，關(guān)閉兩臺采暖期專用變，由日常變供電;在采暖期，關(guān)閉日常變，由采暖期專用變給所有負荷供電。

3配電變壓器選擇

本項目在冬季采暖期季節(jié)性用電負荷較大。對于容量大的變壓器宜采用油浸式變壓器，有利于散熱，過載能力相較于干式變壓器更強。因此35KV及以上的配電變壓器均為油浸式變壓器。對于20kV及以下的配電變壓器，油浸式變壓器與干式變壓器均有使用?？紤]到本項目為市政工程，位于城市核心區(qū)域，工程用地極為緊張，廠區(qū)面積較小，沒有條件設(shè)置獨立的變壓器室。只能將10kV變配電室各功能房間合建，以節(jié)省建筑面積，故選用干式變壓器[3]。

本工程配電變壓器宜選用 SCB13型（電工鋼帶干式配電變壓器）或SCB（H）15型（非晶合金干式配電變壓器）等噪聲小、損耗小，節(jié)能環(huán)保的干式變壓器。在計算有功功率為988kW，計算視在功率為1040kVA的負荷條件下，分別選用SCB13-1600/10/0.4kV、SCB13-1250/10/0.4kV、SCB（H）15-1600/10/0.4kV及SCB（H）15-1250/10/0.4kV共四型干式變壓器，對四種型號變壓器分別進行能效等級評定、綜合能耗分析、經(jīng)濟分析比選，選出性價比較高的變壓器（如表1所示）。對今后相關(guān)工程項目建設(shè)、變壓器選擇具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

經(jīng)能效評價可看出，以上四種型號、規(guī)格變壓器的空載損耗、負載損耗均優(yōu)于3級能效等級指標，SCB13型達到2級能效指標，SCB（H）15型達到1級能效指標[4]，因此該熱源廠選用這四種變壓器能效值均能達到國家標準限定值的要求，變壓器屬于節(jié)能型設(shè)備。

4配電變壓器能效分析

①雙繞組變壓器年有功電能損耗：

〖?W〗_T=P_0 t+P_k β^2 τ;

②雙繞組變壓器年無功電能損耗：

〖?W〗_Q=（I_0%）/100 S_rT t+（u_k%）/100 S_rT β^2 τ;

③變壓器綜合電能損耗：

〖?W〗_P=（P_0+K_Q? （I_0%）/100 S_rT）t+（P_k+K_Q? （u_k%）/100 S_rT）β^2 τ;

以上式中 〖?W〗_T——變壓器年有功電能損耗，kWh;

〖?W〗_Q——變壓器年無功電能損耗，kvarh;

〖?W〗_P——變壓器年綜合電能損耗，kWh;

P_0——變壓器空載損耗，kW;

P_k——變壓器短路損耗，kW;

I_0%——變壓器空載電流百分數(shù);

u_k%——變壓器額定短路阻抗電壓百分數(shù);

t——變壓器全年投入運行小時數(shù);

τ——變壓器年最大負荷損耗小時數(shù);

β——變壓器負載率;

S_rT——變壓器額定容量，kVA;

K_Q——無功經(jīng)濟當量，kW/kvar;取0.1kW/kvar。

根據(jù)上述三個計算公式，計算出變壓器綜合損耗計算表及經(jīng)濟指標計算表如表2、表3所示，

從上述表格計算分析可以看出，變壓器綜合電能損耗與變壓器采用的材料、工藝有關(guān)，同時與變壓器的負載率β密切相關(guān)，從變壓器有功電能損耗、變壓器無功電能損耗及綜合損耗計算表可以看出，隨著變壓器負載率的提升，變壓器綜合電能損耗有明顯提升，變壓器溫升明顯，加速變壓器絕緣老化，降低變壓器的使用壽命[5]。針對干式變壓器過載能力偏弱的特點，應(yīng)降低干式變壓器的負載率β，以滿足干式變壓器安全、可靠、延長使用壽命的要求。

本項目在計算有功功率988kW、計算視在功率為1040kVA的情況下，變壓器采用1600KVA時負載率為65%，變壓器采用1250KVA時負載率為83%，均能滿足使用要求。但從變壓器綜合損耗計算表、經(jīng)濟指標計算表可以看出，變壓器并非負載率越高能耗越低，負載率越高越經(jīng)濟。而是變壓器的負載率在65%～70%左右更為合理，屬于變壓器高效節(jié)能區(qū)，確保干式變壓器安全、經(jīng)濟、可靠運行，同時有一定負荷裕量，可延長變壓器使用壽命;綜合損耗計算表及經(jīng)濟指標計算表的分析，采用1600KVA變壓器性價比高于1250KVA變壓器[6]。

5結(jié)論

上文分析的SCB13型電工鋼帶干式變壓器及SCB（H）15型非晶合金干式變壓器這兩種不同材料、不同工藝制作生產(chǎn)的變壓器，均屬于節(jié)能產(chǎn)品。SCB13型電工鋼帶干式變壓器在傳統(tǒng)SCB9、10、11、12型電工鋼帶干式變壓器基礎(chǔ)上改進而來，屬于傳統(tǒng)、成熟、主流的干式變壓器，性價比較高;SCB（H）15型非晶合金干式變壓器屬于新材料、新工藝、新型干式變壓器，空載損耗很小，在目前看來尚處于推廣階段，價格相對比較高。隨著國家節(jié)能減排及環(huán)保要求越來越嚴;隨著國家對《高耗能落后機電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄》出臺，滿足相關(guān)能效限定額及節(jié)能評價時才允許生產(chǎn)使用。今后 SCB（H）15型變壓器技術(shù)進一步成熟后，將來有廣闊的發(fā)展前景。

從綜合損耗計算表及經(jīng)濟指標計算表可以看出，在目前設(shè)計中采用SCB13型變壓器，是電工鋼帶干式變壓器系列中最節(jié)能、最成熟的產(chǎn)品，產(chǎn)品價格較低，初次投入購置費較低，綜合損耗也較低，運行成本較低，符合國家節(jié)能減排要求，屬于性價比較高的產(chǎn)品，可推薦使用;從長遠看，SCB（H）15型變壓器采用非晶合金干式變壓器，屬于新材料、新工藝，隨著技術(shù)改進，市場認可度的提高，價格進一步降低，可推廣使用。

本項目采暖期，目前推薦采用SCB13-1600KVA變壓器，從長遠看，推薦采用SCB（H）15-1600KVA變壓器。確保本熱源廠安全、可靠、經(jīng)濟運行。

參考文獻

[1]張亦男.關(guān)于干式配電變壓器的使用及技術(shù)發(fā)展分析[J].節(jié)能，2019，38（02）：138-139.

[2]李春霞，趙祥光，盧金鐸，劉亞.配電變壓器能效標準對比分析[J].變壓器，2020，57（05）：57-61+64.

[3]謝宏偉，李捷，張良，陶曉峰，周宇.配變系統(tǒng)能效分析及評價[J].機電信息，2017（36）：32-33.

[4]蔣旻奕，丁毅，焦系澤，張森.配電變壓器容量選擇方法研究[J].湖北電力，2019，43（06）：43-48+55.

[5]崔建，劉暢.加工廠配電變壓器容量選擇[J].科技風，2017（22）：186.

[6]陳軍，趙小玲.制漿造紙企業(yè)配電變壓器的選擇和節(jié)能探討[J].中國造紙，2020，39（11）：48-52.

作者簡介：唐愷亮（1991-），男，湖南永州人，工程師，本科學歷，畢業(yè)于蘭州理工大學，電氣工程專業(yè)，主要從事水廠、換熱站、鍋爐房、綜合管廊等工程電氣專業(yè)的設(shè)計工作。