化工廠配電變壓器經濟運行與應用

吳羽生

（成都基準方中建筑設計有限公司，成都 610021）

電力變壓器作為電力系統中電壓變換的主要設備，被廣泛應用于輸電和配電領域。變壓器在運行過程中，自身要產生有功功率損耗和無功功率損耗。因此，必須根據變壓器的有關技術參數，合理地選擇變壓器的負載率和運行方式，加強變壓器的運行管理，降低變壓器的運行損耗[1]。

目前國內對電力系統配電變壓器已有大量的研究。文獻[2]在分析、計算變壓器經濟運行區間的基礎上，研究了負載功率因數對變壓器經濟運行的影響。文獻[3]分析了變壓器的經濟負載率和經濟運行方式，提出了變壓器經濟運行中要注意的問題。文獻[4]介紹了多種經濟運行區間的劃分方法，并對其優缺點和應用情況進行了深入比較。在化工企業中，不同的生產工序對應不同的用電負荷，且各種用電負荷大小相差較大。因此，在供配電設計中，常按化工工藝生產流程分區域配電。本文針對化工企業中配電變壓器的運行特點，在兩部制電價計費的基礎上，從變壓器自身容量出發，綜合考慮變壓器的運行效率、能量損耗、折舊等因素，對變壓器的負載率和年總運行費用進行研究，提出了變壓器經濟負載率的計算方法，給變壓器容量的選擇和負載調整的優化提供了參考依據。

1 變壓器的損耗與效率

1.1 變壓器的損耗

變壓器功率損耗，除了有功損耗，包括鐵耗（空載損耗）和銅耗（負載損耗）外，還有無功損耗，包括變壓器磁化過程中的空載無功損耗和變壓器繞組電抗中的負載無功損耗。因為變壓器運行過程中需要使用無功損耗而導致電網增加有功損耗，所以變壓器的綜合功率損耗為

式中，ΔP為綜合功率損耗，kW；ΔP0為空載有功損耗，kW；ΔPK為負載有功損耗，kW；ΔQ0為空載無功損耗，kvar；ΔQK為負載無功損耗，kvar；β為負載率，β=S/Se，其中S為變壓器的負載容量，Se為變壓器的額定容量，單位均為kVA；K為變壓器的無功經濟當量，kW/kvar，通常對35~110kV降壓變壓器取0.1[5]。

1.2 變壓器的效率

變壓器的效率是指變壓器輸出的有功功率與輸入的有功功率的比值。

式中，η為變壓器的效率；cosφ為負載功率因數。

對于給定的變壓器，其額定容量、空載損耗和負載損耗是一定的，因而效率η只與負載率和負載功率因數有關，當功率因數一定時，效率就僅僅是負載率的函數，即η=f(β)。

當dη/dβ=0，產生最大效率，變壓器運行損耗最低。即

變壓器的負載率β=βm時，變壓器的效率最高。稱最高效率時的負載率為經濟負載率。

現以化工廠常用的10kV級Dyn11接線配電變壓器為例，研究變壓器效率與負載率的關系。該變壓器的技術參數如表1所示。

表1 Dyn11變壓器技術參數

表1中，I0%為空載電流百分比，Uk%為短路電壓百分比。設負載功率因數cosφ=0.9，則變壓器效率與負載率關系如圖1所示。

圖1 變壓器效率與負載率的關系曲線

由圖1可知，在β=0.3~0.4范圍時，變壓器效率達到最大值，但是此時的負載率相對較低，變壓器容量未得到充分利用，不利于變壓器經濟運行，所以僅僅從變壓器效率出發討論變壓器的經濟負載率具有一定的局限性。

2 變壓器經濟運行

為了使變壓器運行更經濟、更合理，在考慮變壓器運行效率的同時，應綜合考慮變壓器成本、運行費用、負荷類型等因素，從變壓器運行費用上確定經濟負載率。變壓器的年總運行費由年固定運行費和年變化運行費組成。

2.1 年固定運行費

年固定運行費是指短期內不隨變壓器工作量的變化而變化的費用，包括基本折舊費、空載損耗費和安裝容量的基本電費。

式中，Mg為年固定運行費用；A為變壓器價格，取變壓器價格為20萬；r為年綜合折舊率，包括基本折舊及大修、維修、提存費用等，取r=5.39%；t為變壓器的年運行小時數，正常情況下，化工企業為了得到最大的經濟利益，常采用多班倒生產制度，進一步考慮故障時間，取t=8000h；Dj為基本電價，元/kVA，目前各地基本電價有所不同，取基本電價為20元/kVA；Dd為電量電價，元/kW·h。

該變壓器年固定運行費如表2所示。

表2 變壓器年固定運行費

由表2可知，年固定運行費用主要由基本電費組成，基本電費占年固定運行費用的95.2%。目前我國對電力設備容量大于315kVA的用戶均采用兩部制電價計費，電價由基本電價和電量電價兩部分組成[6]。其中基本電價只與變壓器安裝容量有關，在基本電價一定的情況下，年固定運行費用同變壓器容量大小成正比，容量越大，其固定運行成本越高。

2.2 年變化運行費

年變化運行費是指短期內隨著變壓器工作量的變化而變化的費用，包括隨負載變化的有功損耗。

式中，Mb為年變化運行費用；S為實際運行負荷。

該變壓器的年變化運行費用與負載率關系如圖2所示。

圖2 變壓器年變化運行費與負載率關系曲線

年變化運行費用與變壓器負載率成正比關系，隨負載率的增大而增大。β=S/Se，所以年變化運行費用與變壓器容量成反比，變壓器容量越大，其年變化運行費用越小。

3.3 變壓器容量與經濟運行

變壓器的年總運行費用等于年固定運行費和年變化運行費之和。

對配電變壓器來說，其容量的大小直接決定了固定運行費用和變化運行費用的多少。在化工廠中，為保證工藝生產流程的正常運行，各用電負荷保持相對持續、穩定的運行。在式（6）中，假設變壓器在穩定負荷情況下運行，即變壓器的計算負荷已經確定，我們討論總運行費用M與容量Se的函數關系，即。當時，變壓器的運行費用最小、最經濟，即

圖3 變壓器年總運行費與容量關系曲線

變壓器年總運行費用與容量關系如圖3所示。當Se＜Sm時，年總運行費用主要由年變化運行費用組成；當Se=Sm時，年總運行費用最少、最經濟；當Se＞Sm時，年總運行費用主要由年固定運行費用組成。

進一步可知

從式（8）可以看出，變壓器的經濟負載率不但和變壓器自身設計參數有關，還跟變壓器的運行負荷和市場電價因素密切相關。

另外，通過對不同容量等級的配電變壓器進行計算，我們發現如果要讓變壓器基本容量與負載容量達到經濟運行的匹配狀態，那么變壓器往往處于過負載運行工況，這就對變壓器內部結構和過負荷承受能力提出來更高的要求。

4 結論

變壓器經濟負載率的確定若僅僅從變壓器設計參數出發，按運行時效率最高，功率損耗最低考慮，得到的變壓器經濟負載率偏低，與實際負荷使用要求相差太大，沒有實用價值。應該從變壓器年運行費用出發，考慮變壓器成本、運行費用、負荷類型等因素來確定變壓器經濟負載率。

另外，通過對實際化工廠配電變壓器運行的分析，可以為相關設計人員在配電變壓器容量的選擇上提供一定的參考依據。

[1]胡景生.變壓器經濟運行[M].北京:中國電力出版社,1999.

[2]劉秋英,李強.影響變壓器經濟運行的兩個重要因素及優化措施[J].電工電氣,2010(4).

[3]夏春燕.變壓器經濟運行分析與應用[J].變壓器,2007,44(12):24-28.

[4]佘楚云,李永健,徐偉,等.變壓器經濟運行區間劃分方法研究[J].電氣應用,2009(17).

[5]丁毓山,高松.變壓器最佳容量確定和經濟運行[M].北京:中國水利水電出版社,1996.

[6]賀建閩,黃治清.牽引變壓器容量的合理選擇[J].電氣化鐵道,2005(6).