变电站站用变压器节能优化设计方案探讨

孙长文　赵永

摘 要：国家电网公司500kV变电站典型设计方案中配置三台站用变压器（#1、#2、#0），变压器容量普遍较高，常年在低负载率下运行，运行效率不高；所采用的站用变压器多为S11系列配电变压器，能效水平与国家对通用设备节能水平要求尚存差距；#0站用变压器作为备用变压器，长期热备用运行，不带负载，增加不必要的损耗。本文针对上述问题，探讨并提出优化设计的方案，供读者参考。

关键词：变电站站用变压器；节能；优化设计；方案探讨

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0165-03

1 工程概况

某500kV变电站本期建设500kV主变2×1000MVA，远景主变4×1000MVA；本期500kV出线4回，远景出线8回；220kV本期10回，远景16回。本工程新建3台额定容量为800kVA的35kV站用变压器，满足变电站本期、远景站用电需要。

2 站用变压器设计方案

该500kV变电站站用变压器为3台三相油浸式变压器，额定电压为35/0.4kV，其中#1、#2为工作变压器，采用有载调压变，电源分别取自#2、#3主变低压侧；#0备用变采用无载调压变，电源取自专用的35kV站外电源线路上。

（1）站用变压器额定容量为800kVA。（2）站用变压器选用S11系列低损耗变压器，型号为SZ11-M-800/35，设备招标技术规范书要求空载损耗不大于980W，额定负载损耗不大于8880W。（3）正常方式下#1、#2工作变压器同时运行，各带一半站用电负荷，并互为备用；#0备用变处于热备用状态。

站用变压器详细技术参数见表1。

3 节能优化设计方案

3.1 优化选择变压器额定容量选择

本工程设计方案直接采用国家电网公司典型设计方案和典型设备方案，站用变压器3台，每台额定容量为800kVA。

《220kV-500kV变电所所用电设计技术规程》（DL/T 5155），站用变压器容量应按远景站内用电负荷考虑，每台站用变压器应能满足全站站用电设备的用电需要。本文按每台站用变压器能满足全站远景站用电负荷供电要求的原则，统计计算全站远景站用电负荷，根据站用电负荷供电需求优化确定站用变压器额定容量。

全站远景站用电负荷统计计算。该500kV变电站全站远景站用电负荷统计计算结果见表2。

表2中远景站用电设备动力负荷P1为446.5kVA，电热负荷P2为152.14kVA，照明负荷P3为52.5kVA。

根据《220kV-500kV变电所所用电设计技术规程》（DL/T 5155），动力负荷需要系数K1取0.85，电热负荷需要系数K2取1，照明负荷需要系数K3取1，则远景站用电负荷为：S=K1×P1+K2×P2+K3×P3=0.85×446.5+1×152.14+ 1×52.5=583.86（kVA）。

站用变压器正常运行时负载率均较低，其损耗主要为空载损耗，从节约能源和经济运行的角度看，在满足《220kV-500kV变电所所用电设计技术规程》（DL/T 5155）对站用变压器额定容量的要求下，宜尽可能选用额定容量较低的站用变压器以降低空载损耗。

采用额定容量为800kVA的站用变压器，正常运行方式下两台站用变各带一半站用电负荷，负荷率仅为36.44%，负荷率较低，而且S11-M-800/35型站用变压器空载损耗为980W，空载损耗较大，长期处于低负荷水平下运行，经济性较差。

采用额定容量为630kVA的站用变压器，正常运行方式下两台站用變各带一半站用电负荷，负荷率为46.27%，负荷率有所提高；极端情况下，一台站用变向全站负荷供电时，最大负载率为92.54%，能满足全站供电要求，而且S11-M-630/35空载损耗为820W，对比额定容量为800kV的站用变压器，空载损耗降低16.33%。

若采用额定容量为500kVA的站用变压器，检修或故障时当一台站用变向全站负荷供电时，最大负载率为116.7%，供电可靠性和安全性将受到影响。

因此本文综合考虑节能和供电安全可靠性，建议采用额定容量为630kVA的站用变压器。安徽合肥肥北500kV变电站采用了该优化方案，目前运行状况良好。

3.2 选择更为节能的低损耗站用变压器

站用变压器由于负载率普遍偏低，空载损耗在总损耗中占比很大。空载损耗又称为铁损，主要是由于变压器铁芯的磁滞引起的。该站站用变压器采用S11系列变压器，其铁芯由硅钢片制成，空载损耗较大。目前S11系列变压器尚能满足国家节能要求，但随着国家节能降耗要求越来越高、技术政策越来越严以及高效低耗变压器产品的不断推广应用，不远的将来，S11系列变压器将成为落后淘汰产品，国家将控制、甚至会禁止使用。因此尽早采用更为节能的低损耗变压器，是节能降耗、满足国家技术政策的需要。

近年来非晶合金材料在变压器铁芯制造中应用越来越广泛和成熟，由非晶合金材料制造变压器铁芯，变压器空载损耗大为降低，负载损耗也有所降低。目前主要厂家生产的SCH15-M-630/35型干式非晶合金变压器空载损耗已低至380W，负载损耗已低至5960W；油浸式非晶合金变压器空载损耗已低至320W，负载损耗已为6200W。

此外目前S13系列变压器生产厂家众多，产品已逐步推广使用，技术成熟。其中S13-M-630/35三相油浸式配电变压器空载损耗约为580W，负载损耗约为6200W，较S11系列变压器损耗显著降低，能效较S11系列变压器显著提高。

S15型非晶合金变压器与S11、S13型硅钢片变压器的能耗指标比较结果见表3。

由表3可见，SCH15系列非晶合金变压器空载损耗不到同容量S11系列硅钢片变压器空载损耗的50%，而负载损耗也仅为同容量S11硅钢片变压器的80%；S13系列硅钢片变压器空载损耗比同容量S11系列硅钢片变压器降低约30%，负载损耗降低约16.5%。SCH15系列非晶合金变压器、S13系列硅钢片变压器比S11硅钢片变压器能效水平显著提高。

本文建议该站站用变压器试用S15系列非晶合金变压器，也可以选择S13系列硅钢片变压器。

3.3 优化备用站用变压器运行方式

按设计，该站#0站用变正常处于热备用状态，不带负荷，但由于常年带电，将产生空载损耗，本文认为这种运行方式不合理。

建议#0备用站用变压器正常运行方式由热备用改为冷备用，调整站用电源备自投装置逻辑，必要时可自动投入或手动投入#0备用变压器，满足电力规程规范对500kV变电站站用电源可靠性的要求。

4 节能优化设计效果分析

4.1 优化选择站用变压器容量的效果分析

本站改用630MVA站用变压器，即使仍采用S11系列硅钢片变压器，三台站用变压器每年可节电4200kWh，可见减小站用变压器容量具有一定的节能效果。站用变压器寿命按40年考虑，整个寿命周期可节电16.8万kWh，而且站用变压器容量减小，一定程度上还减少了设备费用。

4.2 采用更为节能的低损耗站用变压器的节能效果分析

以S15系列非晶合金变压器为例，其空载损耗不到同容量S11系列硅钢片变压器空载损耗的50%，而负载损耗也仅为同容量S11硅钢片变压器的80%，500kV变电站的站用电负荷水平较低的运行条件下，采用S15系列非晶合金变压器比同容量S11硅钢片变压器约减少40%的电能损耗。

该站若采用额定容量为630MVA的S11系列硅钢片站用变压器，投运初期两台工作站用变压器每年耗能约1.4万kWh。若采用S15系列非晶合金站用变压器投运初期每年可节能6000kWh，远景年每年可节约电能损耗10000kWh以上，可见采用S15系列非晶合金站用变压器节能效果显著。

经查近期价格信息资料，并向变压器厂家询价目前S11-M-630/35系列三相油浸式变压器价格约为15.5万元/台，而S15-M-630/35系列非晶合金三相油浸式变压器价格约为19万元/台，每台比S11系列多投资3.5万元。该500kV变电站两台工作站用变若采用S15系列变压器，将增加投资7万元，每年减少电能损耗6000-10000kWh，平均按减少电能损耗8000kWh计算，所在地35kV大工业用户电价为0.618元/kWh，估算投资回收期为14年，可以在站用变压器使用寿命内通过节省电能损耗收回增加的投资。

4.3 优化备用站用变压器运行方式的节能效果分析

原设计方案中考虑#0备用站用变压器常年处于热备用状态，现考虑修改备自投逻辑，改其运行方式为冷备用方式，必要时投入运行。优化方案不需要增加投资，备用站用变压器仍采用S11系列变压器；由于正常运行采用冷备用方式，年节约空载损耗电量约7000kWh。

5 结语

本文建议，按实际供电需求，在满足设计规程要求的前提下，优化选择变压器额定容量选择，该500kV变电站两台工作站用变压器额定容量由800kWh减小为630kWh，并采用S15系列非晶合金变压器；#0备用变压器正常运行方式由热备用改为冷备用。采取上述优化方案后，每年可节约电能损耗1.7-2.1万kWh，有较好的节能效果。其他電压等级的变电站，也可采用这种思路配置容量合理的低损耗变压器，并加强站用变压器运行方式的管理，节约电能损耗。

参考文献

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[2]邵松涛.安徽合肥肥北500kV变电站初步设计报告[R].合肥：中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，2015：1-10.

[3]姬春义.安徽合肥肥北500kV变电站站用变压器技术规范书[R].合肥：中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，2016：1-12.

[4]赵永.安徽合肥肥北500kV变电站站用电统计计算书[R].合肥：中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，2016：1-9.

[5]2018年第一季度电网工程设备材料信息价[Z].国家电网公司电力建设定额站.