配电变压器容量选择与经济运行问题分析

刘照林

(国营大众机械厂，山西太原030024)

在建筑电气工程设计时，选择变压器容量是一个重要的环节。变压器容量选择合理与否，直接关系到企业供配电系统的运行能否经济合理。影响变压器经济容量选择的因素很多，其中主要包括:总计算负荷的大小、年最大负载损耗时间、变压器类型及经济负载系数、现行电价等。本文通过对配电变压器经济容量的几个主要影响因素的分析，试图从中找到或建立一种能综合考虑各种影响因素的配电变压器经济容量的确定方法。

1 影响配电变压器经济容量的主要因素分析

1.1 计算负荷的影响

配电变压器的容量应根据用电设备总计算负荷进行选择，其计算表达式为:

式中:Se—配电变压器的额定容量，kVA;

Pjs—全部用电设备的计算负荷，kW;

β—配电变压器的实际负载系数;

cosφ—补偿后的平均功率因素;

式中:Pe—用电设备组的设备功率，kW;

Kx—需用系数;

Kp—变电所的有功功率同时系数;

从式(1)中可以看出，配电变压器的容量与计算负荷的大小成正比，而计算负荷的大小除与用电设备组的功率有关外，还与负载需用系数及同时系数有关。需用系数受许多因素的影响，使用时应根据生产工艺使用要求及负载性质合理选取，使总的计算负荷尽量与实际接近。若总的计算负载偏大，会导致所选变压器容量增大，变压器投资增大，变压器空载损耗增大，同时也会无谓地增大变压器的运行费用成本。反之，若计算负荷偏小，会造成变压器容量选择过小，增大变压器损耗，甚至会导致变压器长期过载，加速绝缘老化，而缩短变压器使用寿命。

1.2 变压器类型及经济负载系数的影响

配电变压器的类型不同，其经济负载系数及造价也不同，因此，按照运行费用最省的原则，所确定的变压器经济容量也不会相同。配电变压器的经济负载系数是保证变压器的运行效率最高，而功率损失率最低时的负载系数，其值可按下式计算:

式中:βjz—变压器综合功率经济负载系数;

Poz—变压器综合功率空载损耗，kW;

Pkz—变压器综合功率负载损耗，kW。

经计算，不同类型的配电变压器(容量在315～2 500 kVA范围内)的综合功率经济负载系数分别为:S11系列油浸变压器的βjz的均值为0.37;SC(B)9系列干式变压器的 βjz均值为0.51;SH15系列非晶合金油浸式变压器的βjz的均值为0.23。

若按经济负载系数选择变压器容量，不同类型的变压器会有不同的容量选择结果。与此同时，虽然按经济负载系数选择变压器容量，可以使该变压器的运行效率达到最高，但由于新型系列变压器(比如SH15系列)空载损耗已大幅降低，其经济负载系数较小，因此若按式(2)进行容量选择，会导致变压器容量选择过大、一次性投资过大的突出问题。

1.3 年最大负载损耗时间的影响

按照年电能损失率最小的原则选择变压器容量，可使所选变压器容量的年运行效率达到最高。同时，与按变压器功率损失率最小原则确定的变压器容量相比，可降低2～3个容量等级。可使变压器年电能损失率达到最小的节能负载系数［1］计算表达式为:

式中:βAZ—配电变压器的节能负载系数;

T—配电变压器年投入运行小时数，h;

τ—配电变压器年最大负载损耗小时数，h;

从式(3)中看出，配电变压器的节能负载系数βAZ与其空载损耗、短路损耗及电力负荷的运行特点有关。其中的数值，随企业生产性质和生产班次的不同而不同。对于负载曲线变化较大的电力用户，其τ值较低，βAZ值较高，按式(3)的节能负载系数βAZ选择变压器容量，可使所选变压器的节能性与经济性达到相对的统一。但对于多数常年持续生产且负载曲线变化不大的电力用户，由于其年最大负载损耗小时τ值较高，βAZ值较低，若按式(3)的节能负载系数选择变压器容量，同样会导致变压器容量选择过大的问题。

1.4 现行电价制的影响

根据国家电价政策规定，大宗工业用电须执行两部制电价。其中基本电费可选择按变压器容量进行计费，也可选择按最大需量进行计费。由于条件的限制，许多企业执行的是按变压器容量计算基本电费的计费方式。从节约年运行费用的角度，企业希望尽量增大变压器的负载系数，以减小变压器的安装容量。但从节能的观点看，配电变压器的实际负载率不宜太大，因尽量接近变压器的节能负载系数，以提高配电变压器的运行效率，降低变压器的功率损耗。因此说现行电价也是影响配电变压器经济容量选择的因素之一。

2 配电变压器经济容量的确定方法

通过对上述影响变压器经济容量的几个主要因素的分析，我们不难发现，若要确定变压器的经济容量，首先应先确立一种能对同类型、不同容量变压器技术经济指标进行综合评价分析的方法。如果借用配电变压器能效技术经济评价的方法，综合考虑“变压器价格、损耗、负荷特点、电价”等经济技术指标对变压器经济性的影响，并按照配电变压器Se＞Sjs的容量选择条件，在多种规格的待选变压器中，对备选方案从节能性的角度，进行进一步的分析比较，那么，就可方便地从中筛选出技术可行、经济效益最佳的配电变压器容量来。

2.1 配电变压器能效评价方法［2］

对配电变压器能效评价可采用综合能效费用法，综合能效费用法是一种通过计算分析各可行技术方案下的变压器综合能效费用，选择总费用最少的方案为最佳经济方案的分析方法。该方法适用于同容量、不同类型变压器之间的经济性评价。使用该分析方法有助于全面正确地认识高效节能变压器的经济性。

2.2 配电变压器综合能效费用的计算公式

(1)综合能效费用(TOCEFC)应包括:配电变压器的初始费用(CI)，空载损耗的等效初始费用(POEFC)，负载损耗等效初始费用(PKEFC)。其基本计算表达式为:

其中:Qo=Io%·Se×10－2Qk=Uk%·Se×10－2

式中:A—变压器寿命期间单位空载损耗的等效初始费用，元/kW;

B—变压器寿命期间单位负载损耗的等效初始费用，元/kW;

Po—变压器空载有功损耗，kW;

Pk—变压器负载有功损耗，kW;

Qo—变压器空载无功损耗，kvar;

Qk—变压器负载无功损耗，kvar;

Kq—无功经济当量，kW/kvar;一般取Kq=0.1 kW/kvar;

Io%—变压器空载电流占额定电流的百分值，%;

Uk%—变压器阻抗电压占额定电压的百分值，%;

Se—变压器额定容量，kVA。

(2)配电变电器单位空载损耗的等效初始费用A系数;其等值于期初的现值表达式为:

式中:Kpv—贴现率i，使用寿命为n年的现值系数;

Ee—单位电度电费，元/kWh;

Ec—单位容量电费，即两部电价中按最大需量收取的基本电费，元/kWh;

T—变压器年带电小时数，通常为8 760 h;

(3)配电变压器的单位负载损耗的等效初始费用B系数;其等值于期初的现值表达式为:

式中:βo—变压器的初始负载率;

τ—年最大负载损耗小时数，h;τ值的典型值参见文献［1］;

2.3 配电变压器能效综合评价的方法和步骤

对同类型、不同容量配电变压器能效综合评价的方法和步骤如下:

(1)选定变压器的类型。根据有关的设计规范和节能要求，选择变压器的类型。

(2)按照Se＞Sjs的容量选择条件(Sjs为总计算负荷)，并依照变压器的容量等级顺序，选择多种规格的变压器作为待选方案。

(3)将有关的已知参数代入式(4)，分别计算出各规格变压器的综合能效费用(TOC)值。

(4)依据有关的已知参数，分别计算出各规格变压器的综合功率等效初始费用(PZEFC)值与变压器寿命期间的电能损耗量(W)。

PZEFC值的计算表达式为:PZEFC=POEFC+PKEFC

W的计算表达式为:W=T(Po+KqQo)+τ·β2(Pk+KqQo).

(5)根据变压器容量选择的经济性和节能性要求，对计算结果进行进一步的分析比较，选择TOC值(或CI值)最少和PZEFC值(或W值)最小的两个方案，进行进一步分析比较，确定的经济容量即为变压器在寿命期间可获得最佳经济效益的设计容量。

3 应用举例

某一机械制造企业准备安装一台新变压器，其计算负荷为760 kVA，按照配电变压器的选择条件Se＞Sjs，分别选择S11 系列800 kVA、1 000 kVA、1 250 kVA、1 600 kVA 四种规格的变压器作为待选方案。该企业采用二班制生产，现要求借用综合能效费用法选择变压器的经济容量。分析评价的步骤如下:

3.1 确定待选变压器的相关技术经济参数

(1)根据四种规格的变压器名牌，可获得其基本技术参数;

(2)根据业主的考虑，确定的经济参数为:变压器使用年限20年、回报期望值8%;根据企业所在地区的电价结构，月容量电费为37.5元/kW、电度电费为0.5元/kW;

(3)根据企业生产性质及生产安排等情况，确定运行参数为:变压器负载率分别为 0.95、0.76、0.6、0.48;年带电小时数8 760 h、年最大负载损耗小时数1 700 h;

3.2 分析计算

根据有关计算公式，得到各待选方案的等效初始费用、综合能效费用、寿命期间的电能损耗等，分析计算结果如表1。

表1 待选方案经济分析评价表

3.3 根据计算结果进行方案选择与分析

(1)从表1中可以看出，若按TOC值或CI值最少的原则，进行配电变压器的容量选择，应当选择方案一。

(2)若按配电变压器寿命期间综合功率等效初始费用最少或电能损耗量最小的原则进行容量选择，则应当考虑选择方案三。

(3)若在配电变压器能效技术经济综合评价的层面上作进一步的分析，从表中还可以看出，方案三的TOC值略高于方案一。虽然两方案的CI差值为29 000元，但两方案TOC值之差仅为9157元。这说明方案三变压器多投资的费用中，有近70%的费用，已由方案三本身突出的节能效果得到了补偿。

(4)从变压器寿命期间的电能损耗量计算结果看，两方案之间的差值为29 228度。这意味着，采用方案三能为企业减少数量可观的电能损耗量，这无论是从推进企业节能工作，还是从社会效益方面讲，无疑都具有十分重要的意义。

(5)此外，在相同计算负荷的条件下，方案三的负载率为0.6，方案一的负载率为0.95。选择方案三，可为企业今后生产用电发展提供40%裕量，这显然对企业的经济发展也是十分有利的。

经上述分析比较:我们可以给出这样一个结论，从变压器容量选择的综合效益上考虑，选择方案三(1 250 kVA)的容量，是可使变压器在寿命期内获得经济效益最佳的设计容量。

4 结束语

在配电变压器容量选择中，借用变压器能效分析评价的方法，综合考虑各种因素对变压器容量选择经济性的影响，同时将配电变压器的年电能损耗作为一项重要因素予以重点考虑，并通过进一步的综合分析比较，可使所选变压器容量既能满足经济性的要求，也能满足企业节能工作的要求。从而可在综合效益的层面上，使所选配电变压器容量，较好地实现节能性与经济性的相对统一。

［1］丁毓山，高松.变压器最佳容量确定和经济运行［M］.北京:中国水利水电出版社，1996.

［2］中国航空工业规划设计研究院组编.工业与民用配电设计手册［Z］.北京:中国电力出版社，2005.