小型水電站變壓器選型淺析

李冰

（河南省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

河南省小型水電站約有530座，大多數(shù)建于20世紀七八十年代，近年來國家通過增效擴容改造對許多電站設(shè)備進行了更新?lián)Q代，水能資源利用率得到較大提高，但由于設(shè)計人員多為水利相關(guān)專業(yè)，更新改造多是通過提高水輪機、發(fā)電機效率、統(tǒng)籌利用來水量、提升發(fā)電水頭等措施，電力運行方面節(jié)能、優(yōu)化運行設(shè)計較少。通過探討站內(nèi)變壓器損耗來提升電站效益，做到節(jié)能減排。

任何電氣設(shè)備只要做功就會產(chǎn)生有功損耗，電磁轉(zhuǎn)換則需要建立磁場，消耗無功功率。變壓器是通過電流建立磁場進行電壓變換，以達到遠距離輸電，所以變壓器不僅需要消耗有功功率，還消耗一定的無功功率。此次就從有功和無功兩個方面來對變壓器的損耗進行定量分析，并提出一些具體措施來盡可能減小損耗。

1 變壓器功率損耗計算

1.1 變壓器有功功率損耗

變壓器有功損耗有鐵損和銅損兩個部分構(gòu)成。鐵損又稱空載損耗，是由于變壓器鐵芯的磁阻作用產(chǎn)生的損耗。鐵損值與鐵芯材料、疊壓方式、生產(chǎn)工藝等有關(guān)，而與負荷大小無關(guān)，屬于設(shè)備自身屬性；而銅損是由建立磁場的繞組線圈電流產(chǎn)生，與負荷電流平方成正比，負荷電流為額定值時的銅損又稱短路損耗，變壓器有功損耗可以用下式表示：

式中：△P—有功功率損耗，kW；P0—變壓器空載損耗，kW；Pk—變壓器短路損耗，kW；β—變壓器負載率，%。

1.2 變壓器無功功率損耗

變壓器的無功功率損耗也由兩部分組成，一部分由勵磁電流造成的損耗，因為建立磁場需要的電流不隨負荷變化，因此它與鐵芯有關(guān)，而與負荷無關(guān)?？梢杂孟率奖硎荆?/p>

式中：Q0—變壓器空載時的無功功率，kvar；I0—空載電流百分率，%；SN—變壓器額定容量，kV·A。

另一部分無功損耗是由于一、二次繞組的漏磁通引起的電抗損耗，其損耗等同電阻損耗，與負載電流平方成正比，稱為變壓器的無功漏磁損耗Qk?？梢杂孟率奖硎荆?/p>

式中：Qk—額定負載時的無功功率，kvar；Uk—變壓器阻抗電壓，%。

變壓器的總無功損耗計算如下：

式中：△Q—變壓器無功功率損耗。

1.3 變壓器有功功率損失率

變壓器的有功功率損耗會隨著負荷的增加而增加，為進行選型優(yōu)化，采用有功功率損失率來做負載特性曲線。變壓器的有功功率損失率計算如下：

式中：P1—變壓器電源側(cè)輸入功率，kW；cosφ2—負載功率因數(shù)；β—負載系數(shù)；SN—變壓器額定容量，（kV·A）；P0—變壓器空載損耗，kW；PK—變壓器短路損耗，kW。

考慮單位條件下有功損耗，此次對有功功率損失率對負載率進行求導(dǎo)，并使之為零，得到最小損失率對條件為P0=β2PK。當對變壓器進行選型時，可以適當調(diào)整負載率來降低單位損耗。一般變壓器的β2=≈0.25～0.30，所以選擇變壓器盡量使負荷率在0.50～0.60。

2 經(jīng)濟選型比較

以一個例子來進行簡單計算。一個發(fā)變組模式的組合，一臺SFW500-6/850水輪發(fā)電機組配套S11型變壓器，發(fā)電機視在功率為625（kV·A），輸出有功功率為500 kW，無功功率375 kvar，功率因數(shù)0.80，配套變壓器我們用630（kV·A）的變壓器和1 250 kVA的變壓器進行選型比較。

選用S11-630變壓器損耗如下：

以S11-1250 變壓器替換S11-630 計算，上網(wǎng)電價取0.31元（小水電最低電價）一度，年利用小時數(shù)取3 000 h，每年約節(jié)約電費計算如下：①有功電費節(jié)約（6.91-4.36）×3 000×0.31=2 371.5元；②無功節(jié)約引起的有功增發(fā)?？傄曉诠β什蛔?，無功功率節(jié)約為33.57-21.56=12.01 kvar，可以增發(fā)有功

式中字母含義同上。

6252=P2+（375-12.01）2

有功增發(fā)為：508.79-500=8.79（kW）

年有功增發(fā)電費為：8.79×3 000×0.31=8 174.70（元）

合計年共增加電費為：2 371.5+8 174.7=10 546.20（元）。

考慮到變壓器差價為：5.79-4=1.79萬元，選用S11-1250型變壓器一年半左右就能節(jié)省回本。

根據(jù)19 年河南省小水電年報數(shù)據(jù)，小水電站總裝機容量50.95 萬kW，全年發(fā)電量105 333.70 萬（kW·h）時，其中利用小時數(shù)達到3 000 h以上的電站共61座，裝機容量115 951萬kW，全年發(fā)電量44 228.24 萬（kW·h），約占小水電總年發(fā)電量的41.99%，如果能利用變壓器優(yōu)化選型，能節(jié)約增發(fā)電費相當可觀。

3 結(jié)論

河南省農(nóng)村水電規(guī)模較小，設(shè)備技術(shù)均較落后，許多電站還在使用S9 型號耗能變壓器，技術(shù)改造中已被列為淘汰高耗能產(chǎn)品。如更換為S11型變壓器并采用文中比較選型，節(jié)能運行效果更為顯著。隨著國家節(jié)能減排、綠色水電的創(chuàng)建，新一輪改造即將開始。文章通過技術(shù)和選型比較，希望在工程設(shè)計時從電氣設(shè)計和經(jīng)濟運行考慮，合理選擇變壓器型號，達到經(jīng)濟、節(jié)能、綠色發(fā)展。