节能型配电变压器比较及应用研究

2016-09-03潘丽珠杨孝志王凤霞程石朱焕军宫扬非国网安徽省电力公司电力科学研究院国网安徽省电力公司物资公司

科学中国人 2016年23期

关键词：节能型非晶损耗

潘丽珠，杨孝志，王凤霞，程石，朱焕军，宫扬非国网安徽省电力公司电力科学研究院；国网安徽省电力公司物资公司

节能型配电变压器比较及应用研究

潘丽珠1，杨孝志1，王凤霞1，程石1，朱焕军2，宫扬非2
1国网安徽省电力公司电力科学研究院；2国网安徽省电力公司物资公司

配网负荷存在季节性强、负荷波动大和峰谷差大的特点，变压器全年轻载甚至空载时间较长，配变铁损比重大。为积极引导用户采用节能设备，本文对国网公司推荐采用的几种节能型配电变压器能效特性进行分析研究。

节能；配电变压器；研究

引言

配电变压器使用量大、应用范围广、运行时间长，采用新技术、新材料、新工艺的节能型配电变压器已成为配电网节能降损的有效途径。《国家电网公司新技术目录（2014版）》和《国家电网公司重点推广新技术目录（2014版）》中，节能型变压器等再次成为未来几年新技术推广目录。节能配电变压器主要包括S13型立体卷铁心变压器、非晶合金变压器、自动调容调压变压器等。根据目录规划，2014～2016年新增配电变压器中，S13型及非晶变压器等节能型变压器所占比例不低于60%，自动调容调压变压器不低于15%。2017～2019年，新增配电变压器全部采用节能型变压器。

本文针对S13型立体卷铁心变压器、SH15非晶合金变压器、自动调容调压变压器的应用进行分析研究。

1　节能配电变压器介绍

S13型立体卷铁心变压器采用三相对称立体式结构，三相铁芯磁路完全对称，磁阻大大减少，励磁电流、空载损耗显著降低，运行噪音低，结构紧凑，属于节能、环保、超静音的绿色电力变压器。SH15非晶合金变压器由于使用了一种新的软磁材料——非晶合金，使其性能超越了各类硅钢变压器。自动调容调压变压器是一种具有两种不同额定容量，可根据负载变化进行高压绕组联结方式的改变以及低压绕组并、串联的转换，在用电负荷高峰时段自动将变压器调整到大容量档运行，在用电负荷低谷时段自动将变压器调整到小容量运行的变压器，可大大降低空载损耗。

变压器运行性能参数主要包括固定存在的空载损耗和带负荷状态下的负载损耗。本文以S13-M.RL立体卷铁芯变压器、SH15非晶合金变压器、S13-M.ZT自动调容变压器为例，对比同容量变压器的技术参数，SH15非晶合金变压器的空载损耗最低，比S13-M.RL立体卷铁芯变压器低50%，而S13-M.RL立体卷铁芯变压器空载电流比SH15非晶合金变压器低40-50%，自动调容调压变压器具有两种额定容量，在小容量运行时，空载损耗和空载电流都相对较低，可大幅降低其年损耗。S13-M.RL立体卷铁芯变压器空载电流小，变压器无功损耗大大降低，可以减少无功补偿设备的投入，节省无功补偿设备投资和运行费用。

2　S13与SH15配电变压器能效特性

实际运行中的负载损耗为β2Pk（负载系数β=S/SN），变压器处于高效运行状态才达到节能效果。变压器效率

式中，cosθ为变压器功率因数，β为负载系数。当dη/dβ=0时，变压器达到最高效率，根据S13-M.RL和SH15技术参数分别计算出两者的最佳负载系数βmax和最高效率ηmax（功率因数cosθ= 0.9），如表1所示，S13-M.RL变压器负载系数在31%～34%区间时效率最高，而SH15非晶变压器负载系数在21%～22%区间时效率最高，可见两种类型变压器都适宜在低负载区域运行，非晶合金变压器最佳运行负载率比立体卷铁心变压器低。小容量SH15非晶合金变压器最高效率略高于S13立体卷铁芯变压器，随着配变容量的增大，S13立体卷铁心变压器效率提高。

表1　两种变压器能效参数比较

下图中▲、×、■曲线分别表示容量为50、200和500的两种变压器能效特性，无功经济当量取0.05，功率因数cosθ=0.9，不考虑负荷波动，横坐标为负载系数，纵坐标表示变压器综合损耗率。两种节能型配电变压器随着容量的增大，其损耗率越来越低。负载系数低于70%时，同一容量的SH15非晶合金变压器综合损耗率略低于S13立体卷铁芯变压器；而当负载系数高于70%时，同一容量的SH15非晶合金变压器综合损耗率略高于S13立体卷铁芯变压器。从理论上来说，两种节能型变压器较宜选用较大容量，且安装在负载系数偏低（21%～34%）的配电台区，可达到节能高效的运行状态。

图1　S13-M.RL立体卷铁芯配电变压器能效特性

变压器一年运行按360天，每天运行24小时，由于空载损耗（即铁耗）在变压器运行期间一直存在，故全年空载时间为8640小时；变压器年运行平均负载系数按0.5计算，根据负载损耗（即铜耗）与电流的平方成正比的规律，则实际负载损耗为额定负载损耗的1/4，则等效满载数为360×24×1/4=2160小时。变压器年运行费用为Cy

式中，Ap为电价，按0.65元/kWh计算，两种变压器的年运行费用如表1所示，SH15非晶变压器的年运行费用低于S13-M.RL立体卷铁心变压器，随着配变容量的增大，两种变压器的年运行费用差距增大。

图2　SH15非晶合金配电变压器能效特性

3　自动调容调压变压器能效

采用变压器自动调容技术，假设1年中处于小容量运行状态时间按9个月计算，处于小容量运行状态3个月，全年空载时间为8640小时，变压器年运行平均负载系数按0.5计算，则变压器的年运行费用如表2所示。对于小容量运行9个月，大容量运行3个月的季节性负荷，同容量的自动调容变压器年运行费用与SH15非晶合金变压器接近，比S13立体卷铁芯变压器年运行费略低。

自动调容变压器具有两种额定容量，其节能降耗的优化计算可分别考虑有供损耗最小、无功损耗最小以及综合功率损耗最小三种情况。如果用户以节约有功电量为主，可按有功经济运行进行优化；如果以提高功率因数为主，可按无功经济运行优化；如果两者兼顾或以降低系统损耗为主，则按综合功率经济运行优化。表2为S13-M.ZT自动调容变压器有功、综合临界负载点，如果按表4中有功经济运行进行优化，小容量运行时负载系数超过40%则自动调节至大容量运行。按无功经济当量取0.05，功率因数cosφ=0.9，不考虑负荷波动，图3中△、■曲线分别为容量为160 （50）和500（160）的自动调容变压器能效特性，横坐标为负载系数，纵坐标表示变压器综合损耗率。

表2　S13-M.ZT-160(50)～500(160)调容变

图3　S13-M.ZT自动调容变压器能效特性

图4中▲、×、□曲线分别为315kVA自动调容、S13-M.RL和SH15三类节能型配电变压器的能效特性。负载系数在5%～10%区间内，S13-M.ZT 315（100）自动调容变压器的综合损耗率最低，能效特性最优；负载系数在10%～50%区间内，SH15-315非晶合金变压器的综合损耗率最低，能效特性最优；负载系数在50%～70%区间内，SH15-315非晶合金变压器与S13-M.RL 315立体卷铁芯配电变压器的综合损耗率相差很小；能效特性相当；负载系数大于70%时，S13-M.RL315立体卷铁芯配电变压器的综合损耗率最低。由此可见，一台低损耗的变压器并不是在任何负载水平下都是高效的，不同负载率状态下配电变压器的节能效果可能有很大差别，如果容量选择不当，同样存在高损耗率的问题。

节能型配电变压器负载系数为21%～34%时，可达到节能高效的运行状态。若按综合损耗率最低时的最佳负载率选择配电变压器容量，会导致变压器容量选择过大，与之配套的开关等设备的开断能力要求高，增加一次投资和年运行费，节约的电能损耗电费可能难以补偿初期投资费用的增加，故选择节能型配电变压器的容量应从节约资金和节约电能等方面进行量化比较来决定，变压器容量选择方法是多种多样，比如综合费用分析法、最佳效益法等，应结合负荷特点，从节能、经济等多方面考虑选取变压器，使其达到最佳。

图4　三类节能变压器能效特性比较

4　应用场所

自动调容调压变压器适用于季节性、时段性负荷变化差异大，年平均负载率低的地区。因自动调容调压变压器在调节容量时，会出现最长持续40ms的电压跌落，适合使用如水利灌溉地区、季节性旅游景区、季节性返乡地区、其他负荷变化较大且允许出现最长持续40ms的电压跌落地区；而对供电电源稳定性要求高及政治供电需求高的地区和用户不适用，如医疗、航天、精密设备生产等。

非晶合金配电变压器由于噪音较大，价格偏高，目前不太适于过小容量配电台区，且安装地点不宜过于靠近居民小区和用户，不宜过负荷运行。S13型立体卷铁心变压器噪音低，性价比高，可考虑在靠近居民小区、商业中心等配电台区使用，过负荷能力较强。