小型水电站变压器选型浅析

李冰

（河南省农村水电及电气化发展中心，河南 郑州 450003）

0 引言

河南省小型水电站约有530座，大多数建于20世纪七八十年代，近年来国家通过增效扩容改造对许多电站设备进行了更新换代，水能资源利用率得到较大提高，但由于设计人员多为水利相关专业，更新改造多是通过提高水轮机、发电机效率、统筹利用来水量、提升发电水头等措施，电力运行方面节能、优化运行设计较少。通过探讨站内变压器损耗来提升电站效益，做到节能减排。

任何电气设备只要做功就会产生有功损耗，电磁转换则需要建立磁场，消耗无功功率。变压器是通过电流建立磁场进行电压变换，以达到远距离输电，所以变压器不仅需要消耗有功功率，还消耗一定的无功功率。此次就从有功和无功两个方面来对变压器的损耗进行定量分析，并提出一些具体措施来尽可能减小损耗。

1 变压器功率损耗计算

1.1 变压器有功功率损耗

变压器有功损耗有铁损和铜损两个部分构成。铁损又称空载损耗，是由于变压器铁芯的磁阻作用产生的损耗。铁损值与铁芯材料、叠压方式、生产工艺等有关，而与负荷大小无关，属于设备自身属性；而铜损是由建立磁场的绕组线圈电流产生，与负荷电流平方成正比，负荷电流为额定值时的铜损又称短路损耗，变压器有功损耗可以用下式表示：

式中：△P—有功功率损耗，kW；P0—变压器空载损耗，kW；Pk—变压器短路损耗，kW；β—变压器负载率，%。

1.2 变压器无功功率损耗

变压器的无功功率损耗也由两部分组成，一部分由励磁电流造成的损耗，因为建立磁场需要的电流不随负荷变化，因此它与铁芯有关，而与负荷无关。可以用下式表示：

式中：Q0—变压器空载时的无功功率，kvar；I0—空载电流百分率，%；SN—变压器额定容量，kV·A。

另一部分无功损耗是由于一、二次绕组的漏磁通引起的电抗损耗，其损耗等同电阻损耗，与负载电流平方成正比，称为变压器的无功漏磁损耗Qk。可以用下式表示：

式中：Qk—额定负载时的无功功率，kvar；Uk—变压器阻抗电压，%。

变压器的总无功损耗计算如下：

式中：△Q—变压器无功功率损耗。

1.3 变压器有功功率损失率

变压器的有功功率损耗会随着负荷的增加而增加，为进行选型优化，采用有功功率损失率来做负载特性曲线。变压器的有功功率损失率计算如下：

式中：P1—变压器电源侧输入功率，kW；cosφ2—负载功率因数；β—负载系数；SN—变压器额定容量，（kV·A）；P0—变压器空载损耗，kW；PK—变压器短路损耗，kW。

考虑单位条件下有功损耗，此次对有功功率损失率对负载率进行求导，并使之为零，得到最小损失率对条件为P0=β2PK。当对变压器进行选型时，可以适当调整负载率来降低单位损耗。一般变压器的β2=≈0.25～0.30，所以选择变压器尽量使负荷率在0.50～0.60。

2 经济选型比较

以一个例子来进行简单计算。一个发变组模式的组合，一台SFW500-6/850水轮发电机组配套S11型变压器，发电机视在功率为625（kV·A），输出有功功率为500 kW，无功功率375 kvar，功率因数0.80，配套变压器我们用630（kV·A）的变压器和1 250 kVA的变压器进行选型比较。

选用S11-630变压器损耗如下：

以S11-1250 变压器替换S11-630 计算，上网电价取0.31元（小水电最低电价）一度，年利用小时数取3 000 h，每年约节约电费计算如下：①有功电费节约（6.91-4.36）×3 000×0.31=2 371.5元；②无功节约引起的有功增发。总视在功率不变，无功功率节约为33.57-21.56=12.01 kvar，可以增发有功

式中字母含义同上。

6252=P2+（375-12.01）2

有功增发为：508.79-500=8.79（kW）

年有功增发电费为：8.79×3 000×0.31=8 174.70（元）

合计年共增加电费为：2 371.5+8 174.7=10 546.20（元）。

考虑到变压器差价为：5.79-4=1.79万元，选用S11-1250型变压器一年半左右就能节省回本。

根据19 年河南省小水电年报数据，小水电站总装机容量50.95 万kW，全年发电量105 333.70 万（kW·h）时，其中利用小时数达到3 000 h以上的电站共61座，装机容量115 951万kW，全年发电量44 228.24 万（kW·h），约占小水电总年发电量的41.99%，如果能利用变压器优化选型，能节约增发电费相当可观。

3 结论

河南省农村水电规模较小，设备技术均较落后，许多电站还在使用S9 型号耗能变压器，技术改造中已被列为淘汰高耗能产品。如更换为S11型变压器并采用文中比较选型，节能运行效果更为显著。随着国家节能减排、绿色水电的创建，新一轮改造即将开始。文章通过技术和选型比较，希望在工程设计时从电气设计和经济运行考虑，合理选择变压器型号，达到经济、节能、绿色发展。