基于GB 20052—2020標(biāo)準(zhǔn)下變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的能耗對(duì)比分析

劉鐵男, 盧 巖, 魏國(guó)文, 王振宇

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 天津 300110;2.天津市排水管理事務(wù)中心, 天津 300110)

0 引 言

當(dāng)前我國(guó)的電網(wǎng)發(fā)展已走在世界前列,建設(shè)了兼具“智能”和“堅(jiān)強(qiáng)”的電網(wǎng)體系。但是,隨著全球能源供應(yīng)鏈的影響使得我國(guó)電力供應(yīng)仍然處于較為緊張的狀態(tài),而節(jié)電本身就是一種能源開(kāi)發(fā),對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。變壓器作為配電網(wǎng)中主要的耗能設(shè)備,對(duì)其損耗的研究仍是當(dāng)前的一項(xiàng)重要技術(shù)政策。目前,變壓器的總裝機(jī)容量大約是發(fā)電機(jī)的3倍,每年配電變壓器的自身能耗占全國(guó)電網(wǎng)總耗電量的1.8%以上。而配電變壓器的分布較為廣泛,安裝數(shù)量多,運(yùn)行時(shí)間管理無(wú)法統(tǒng)一,因此降低配電變壓器的能耗對(duì)于碳中和背景下的節(jié)能減排具有十分重要的意義。

1 GB 20052—2020對(duì)能效限定值的最新要求

GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》[1]的實(shí)施替代了原有GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》[2],新標(biāo)準(zhǔn)將電力變壓器和配電變壓器能效的要求進(jìn)行合并為一本標(biāo)準(zhǔn),對(duì)工程人員的參考帶來(lái)方便。同時(shí),對(duì)變壓器能耗指標(biāo)也做出了新的要求。

1.1 適用范圍的調(diào)整

GB 20052—2020的適用范圍較GB 20052—2013的要求有較大的變化,適用范圍的對(duì)比如下:

(1) GB 20052—2013規(guī)定了三相配電變壓器的能效等級(jí)、能效限定值、節(jié)能評(píng)價(jià)值和試驗(yàn)方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于三相10 kV電壓等級(jí)、無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓、額定容量30～1 600 kVA的油浸式配電變壓器和額定容量30～2 500 kVA的干式配電變壓器。本標(biāo)準(zhǔn)不適用于充氣式變壓器。

(2) GB 20052—2020規(guī)定了三相電力變壓器的能效限定值、能效等級(jí)和試驗(yàn)方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于三相10 kV電壓等級(jí)、無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓、額定容量30～2 500 kVA的油浸式配電變壓器和額定容量30～2 500 kVA的干式配電變壓器,以及額定頻率為50 Hz、電壓等級(jí)為35～500 kV、額定容量為3 150 kVA及以上的三相油浸式電力變壓器。本標(biāo)準(zhǔn)不適用于充氣式變壓器、高阻抗變壓器。

GB 20052—2020適用范圍變化如下:取消了節(jié)能評(píng)價(jià)值的要求;10 kV油浸式變壓器的容量提高到2 500 kVA這一等級(jí);增加了35～500 kV變壓器的能效要求;增加了不適用于高阻抗變壓器這一要求。

1.2 關(guān)于配電變壓器節(jié)能評(píng)價(jià)值的變化

GB 20052—2020和GB 20052—2013都將變壓器能效等級(jí)分為3級(jí),其中1級(jí)能效最高,損耗最低。GB 20052—2013中第4.4條規(guī)定:“配電變壓器節(jié)能評(píng)價(jià)值要求油浸式配電變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗值均應(yīng)不高于2級(jí)的規(guī)定。干式配電變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗值均應(yīng)不高于2級(jí)的規(guī)定”。此條文在其他一些標(biāo)準(zhǔn)中也有類似要求。

GB/T 50878—2013《綠色工業(yè)建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中第5.1.2條規(guī)定:“電力變壓器效率達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 24790《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)定的2級(jí)及以上能效等級(jí)”。浙江省城市供水 現(xiàn)代化水廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(2018版)中第3.2.3規(guī)定:“變壓器的損耗值不得高于《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》表中的2級(jí)能效的損耗值”。上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/TJ 08-2143—2014《公共建筑綠色設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第10.4.1條規(guī)定:“變壓器選擇應(yīng)滿足GB 20052中規(guī)定的目標(biāo)能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值的要求”。

GB 20052—2020取消了節(jié)能評(píng)價(jià)值的要求。因此,GB 20052—2020在2021年6月1日實(shí)施后,配電變壓器滿足3級(jí)能效就可認(rèn)為滿足要求。

一些其他法規(guī)和地方性標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)明確要求配電變壓器能效等級(jí)不低于2級(jí)。依據(jù)了解,目前滿足GB 20052—2020的干式變壓器同等級(jí)別價(jià)格比GB 20052—2013的價(jià)格高出30%以上。在此條件下,如果項(xiàng)目所在地標(biāo)準(zhǔn)要求能效等級(jí)不低于2級(jí),可能導(dǎo)致電氣部分預(yù)算變化較大,因此在工程預(yù)算階段,電氣設(shè)計(jì)人員和預(yù)算人員應(yīng)注意該問(wèn)題。

2 GB 20052的2020版和2013版空載損耗和負(fù)載損耗允許限值的比較

選取設(shè)計(jì)中常用的容量較大的315～2 500 kVA電工鋼帶型配電變壓器的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。GB 20052—2020中10 kV干式三相雙繞組配電變壓器能效等級(jí)(部分)如表1所示;GB 20052—2013中10 kV干式三相雙繞組配電變壓器能效等級(jí)(部分)如表2所示。

表1 GB 20052—2020中10 kV干式三相雙繞組配電變壓器能效等級(jí)(部分)

表2 GB 20052—2013中10 kV干式三相雙繞組配電變壓器能效等級(jí)(部分)

通過(guò)對(duì)比可以得出:

(1) 新標(biāo)準(zhǔn)中相同容量1～3級(jí)能效變壓器的相應(yīng)空載損耗值都有明顯減小,其中:新標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)能效變壓器的空載損耗值比舊標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)能效變壓器的空載損耗值降低約20%;新標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)能效變壓器的空載損耗值比舊標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)能效變壓器的空載損耗值降低約15%;新標(biāo)準(zhǔn)的3級(jí)能效變壓器的空載損耗值比舊標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)能效變壓器的空載損耗值降低約20%,且與舊標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)能效變壓器的空載損耗值相同。

(2) 新標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)能效變壓器的負(fù)載損耗值與舊標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)能效變壓器的負(fù)載損耗值都相同。除630 kVA變壓器(短路阻抗為4%)外,新標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)能效變壓器的負(fù)載損耗值比舊標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)能效變壓器的負(fù)載損耗值降低約10%,且與舊標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)能效變壓器的負(fù)載損耗值相同。新標(biāo)準(zhǔn)的630 kVA的2級(jí)能效變壓器(短路阻抗為4%)負(fù)載損耗與舊標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)能效變壓器(短路阻抗為4%)相同。除630 kVA變壓器(短路阻抗為4%)外,新標(biāo)準(zhǔn)的3級(jí)能效變壓器的負(fù)載損耗值與舊標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)能效變壓器的負(fù)載損耗值降都相同,且與舊標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)能效變壓器的負(fù)載損耗值也相同。630 kVA的3級(jí)能效變壓器(短路阻抗為4%)負(fù)載損耗只與舊標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)能效變壓器(短路阻抗為4%)相同。

變壓器的空載損耗一般占變壓器總損耗的20%～30%,由于空載損耗不隨負(fù)荷變化而變化,雖然所占比例不大,但對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行而負(fù)載較輕的配電變壓器而言,降低空載損耗具有非常重要的意義。因此,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看新標(biāo)準(zhǔn)將配電變壓器空載損耗降低15%～20%對(duì)電力節(jié)能的效果將是巨大的。

變壓器的負(fù)載損耗一般占變壓器總損耗的70%～80%,負(fù)載損耗主要受線圈電阻損耗影響,工業(yè)生產(chǎn)上大幅度降低較為困難,新舊標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)和3級(jí)能效變壓器負(fù)載損耗值總體沒(méi)變,但新標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)能效變壓器負(fù)載損耗仍降低了10%。

3 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的條件下變壓器運(yùn)行方式以及能耗計(jì)算

在變壓器滿足當(dāng)前GB 20052—2020的能效限定值條件下,通過(guò)對(duì)變壓器進(jìn)線合理配置,對(duì)變壓器的運(yùn)行方式進(jìn)線優(yōu)化選擇,對(duì)變壓器負(fù)載實(shí)施經(jīng)濟(jì)性的調(diào)整,從而最大限度地降低變壓器工作時(shí)的電能損耗。

通過(guò)對(duì)某SCB 14—2000型配電變壓器能效參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)變壓器能耗和變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式進(jìn)行分析。某SCB 14—2000型配電變壓器能效參數(shù)如表3所示。

表3 某SCB 14—2000型配電變壓器能效參數(shù)

3.1 變壓器能耗的計(jì)算

根據(jù)表3,計(jì)算變壓器功率損耗。

變壓器負(fù)載功率損耗Pk=14 005 W。

變壓器空載無(wú)功損耗

變壓器負(fù)載無(wú)功損耗

可得:變壓器綜合功率空載損耗

P0z=P0+KQQ0=2 075.8 W

變壓器綜合功率負(fù)載損耗

Pkz=Pk+KQQk=14 009.8 W

則變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)βJZ=0.385。

依據(jù)GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》[4]中第6.1.2條可知,變壓器在額定負(fù)載運(yùn)行為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)上限,與上限額定綜合功率損耗率相等的另一點(diǎn)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限。則經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)上限負(fù)載系數(shù)為1,經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限負(fù)載系數(shù)為0.148。

依據(jù)GB/T 13462—2008中第6.1.3條可知,變壓器在75%負(fù)載運(yùn)行為最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)上限,與上限綜合功率損耗率相等的另一點(diǎn)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限。則最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)上限負(fù)載系數(shù)為0.75,最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限負(fù)載系數(shù)為0.197。

3.2 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的判別與評(píng)價(jià)

某10/0.4 kV變電所中設(shè)置2臺(tái)配電變壓器,參數(shù)按表3所示,其變壓器運(yùn)行方式選擇如下。

依據(jù)文獻(xiàn)[5]中表16.3-8要求,經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界負(fù)荷為

由此可知,變壓器運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界負(fù)荷時(shí)負(fù)荷率為0.544。

可以確定該變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件如下:

(1) 當(dāng)變壓器實(shí)際負(fù)荷小于1 088.73 kVA時(shí),宜1臺(tái)運(yùn)行(變壓器一用一備),變壓器單臺(tái)負(fù)荷率為0.544;當(dāng)變壓器實(shí)際負(fù)荷大于1 088.73 kVA時(shí),宜2臺(tái)運(yùn)行(變壓器分列運(yùn)行),變壓器單臺(tái)負(fù)荷率為0.544/2=0.272。

(2) 當(dāng)變壓器所帶負(fù)荷容量1 088.73～3 000 kVA時(shí),選用2臺(tái)變壓器分列運(yùn)行時(shí)可保證變壓器負(fù)荷率運(yùn)行在0.272～0.75,依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13462—2008中第9.2.1條,該變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的節(jié)能評(píng)價(jià)值,且運(yùn)行在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)0.197～0.750,同時(shí),經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理符合9.1的要求,則認(rèn)定變壓器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí),在綜合考慮變電站投資、運(yùn)行及故障保證率等條件后,應(yīng)盡量保證變壓器的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率在0.55～0.75,這樣既符合變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求,又能較充分地利用變壓器的供電能力[6-8]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)GB 20052—2020對(duì)配電變壓器的能效限定值要求進(jìn)行探討,指明新版本標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍和節(jié)能評(píng)價(jià)值的要求,并通過(guò)對(duì)當(dāng)前能效限定值下配電變壓器的能耗進(jìn)行計(jì)算,得出變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一般要求。