節能型配電變壓器比較及應用研究

潘麗珠，楊孝志，王鳳霞，程石，朱煥軍，宮揚非國網安徽省電力公司電力科學研究院；國網安徽省電力公司物資公司

節能型配電變壓器比較及應用研究

潘麗珠1，楊孝志1，王鳳霞1，程石1，朱煥軍2，宮揚非2
1國網安徽省電力公司電力科學研究院；2國網安徽省電力公司物資公司

配網負荷存在季節性強、負荷波動大和峰谷差大的特點，變壓器全年輕載甚至空載時間較長，配變鐵損比重大。為積極引導用戶采用節能設備，本文對國網公司推薦采用的幾種節能型配電變壓器能效特性進行分析研究。

節能；配電變壓器；研究

引言

配電變壓器使用量大、應用范圍廣、運行時間長，采用新技術、新材料、新工藝的節能型配電變壓器已成為配電網節能降損的有效途徑?！秶译娋W公司新技術目錄（2014版）》和《國家電網公司重點推廣新技術目錄（2014版）》中，節能型變壓器等再次成為未來幾年新技術推廣目錄。節能配電變壓器主要包括S13型立體卷鐵心變壓器、非晶合金變壓器、自動調容調壓變壓器等。根據目錄規劃，2014～2016年新增配電變壓器中，S13型及非晶變壓器等節能型變壓器所占比例不低于60%，自動調容調壓變壓器不低于15%。2017～2019年，新增配電變壓器全部采用節能型變壓器。

本文針對S13型立體卷鐵心變壓器、SH15非晶合金變壓器、自動調容調壓變壓器的應用進行分析研究。

1　節能配電變壓器介紹

S13型立體卷鐵心變壓器采用三相對稱立體式結構，三相鐵芯磁路完全對稱，磁阻大大減少，勵磁電流、空載損耗顯著降低，運行噪音低，結構緊湊，屬于節能、環保、超靜音的綠色電力變壓器。SH15非晶合金變壓器由于使用了一種新的軟磁材料——非晶合金，使其性能超越了各類硅鋼變壓器。自動調容調壓變壓器是一種具有兩種不同額定容量，可根據負載變化進行高壓繞組聯結方式的改變以及低壓繞組并、串聯的轉換，在用電負荷高峰時段自動將變壓器調整到大容量檔運行，在用電負荷低谷時段自動將變壓器調整到小容量運行的變壓器，可大大降低空載損耗。

變壓器運行性能參數主要包括固定存在的空載損耗和帶負荷狀態下的負載損耗。本文以S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器、SH15非晶合金變壓器、S13-M.ZT自動調容變壓器為例，對比同容量變壓器的技術參數，SH15非晶合金變壓器的空載損耗最低，比S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器低50%，而S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器空載電流比SH15非晶合金變壓器低40-50%，自動調容調壓變壓器具有兩種額定容量，在小容量運行時，空載損耗和空載電流都相對較低，可大幅降低其年損耗。S13-M.RL立體卷鐵芯變壓器空載電流小，變壓器無功損耗大大降低，可以減少無功補償設備的投入，節省無功補償設備投資和運行費用。

2　S13與SH15配電變壓器能效特性

實際運行中的負載損耗為β2Pk（負載系數β=S/SN），變壓器處于高效運行狀態才達到節能效果。變壓器效率

式中，cosθ為變壓器功率因數，β為負載系數。當dη/dβ=0時，變壓器達到最高效率，根據S13-M.RL和SH15技術參數分別計算出兩者的最佳負載系數βmax和最高效率ηmax（功率因數cosθ= 0.9），如表1所示，S13-M.RL變壓器負載系數在31%～34%區間時效率最高，而SH15非晶變壓器負載系數在21%～22%區間時效率最高，可見兩種類型變壓器都適宜在低負載區域運行，非晶合金變壓器最佳運行負載率比立體卷鐵心變壓器低。小容量SH15非晶合金變壓器最高效率略高于S13立體卷鐵芯變壓器，隨著配變容量的增大，S13立體卷鐵心變壓器效率提高。

表1　兩種變壓器能效參數比較

下圖中▲、×、■曲線分別表示容量為50、200和500的兩種變壓器能效特性，無功經濟當量取0.05，功率因數cosθ=0.9，不考慮負荷波動，橫坐標為負載系數，縱坐標表示變壓器綜合損耗率。兩種節能型配電變壓器隨著容量的增大，其損耗率越來越低。負載系數低于70%時，同一容量的SH15非晶合金變壓器綜合損耗率略低于S13立體卷鐵芯變壓器；而當負載系數高于70%時，同一容量的SH15非晶合金變壓器綜合損耗率略高于S13立體卷鐵芯變壓器。從理論上來說，兩種節能型變壓器較宜選用較大容量，且安裝在負載系數偏低（21%～34%）的配電臺區，可達到節能高效的運行狀態。

圖1　S13-M.RL立體卷鐵芯配電變壓器能效特性

變壓器一年運行按360天，每天運行24小時，由于空載損耗（即鐵耗）在變壓器運行期間一直存在，故全年空載時間為8640小時；變壓器年運行平均負載系數按0.5計算，根據負載損耗（即銅耗）與電流的平方成正比的規律，則實際負載損耗為額定負載損耗的1/4，則等效滿載數為360×24×1/4=2160小時。變壓器年運行費用為Cy

式中，Ap為電價，按0.65元/kWh計算，兩種變壓器的年運行費用如表1所示，SH15非晶變壓器的年運行費用低于S13-M.RL立體卷鐵心變壓器，隨著配變容量的增大，兩種變壓器的年運行費用差距增大。

圖2　SH15非晶合金配電變壓器能效特性

3　自動調容調壓變壓器能效

采用變壓器自動調容技術，假設1年中處于小容量運行狀態時間按9個月計算，處于小容量運行狀態3個月，全年空載時間為8640小時，變壓器年運行平均負載系數按0.5計算，則變壓器的年運行費用如表2所示。對于小容量運行9個月，大容量運行3個月的季節性負荷，同容量的自動調容變壓器年運行費用與SH15非晶合金變壓器接近，比S13立體卷鐵芯變壓器年運行費略低。

自動調容變壓器具有兩種額定容量，其節能降耗的優化計算可分別考慮有供損耗最小、無功損耗最小以及綜合功率損耗最小三種情況。如果用戶以節約有功電量為主，可按有功經濟運行進行優化；如果以提高功率因數為主，可按無功經濟運行優化；如果兩者兼顧或以降低系統損耗為主，則按綜合功率經濟運行優化。表2為S13-M.ZT自動調容變壓器有功、綜合臨界負載點，如果按表4中有功經濟運行進行優化，小容量運行時負載系數超過40%則自動調節至大容量運行。按無功經濟當量取0.05，功率因數cosφ=0.9，不考慮負荷波動，圖3中△、■曲線分別為容量為160 （50）和500（160）的自動調容變壓器能效特性，橫坐標為負載系數，縱坐標表示變壓器綜合損耗率。

表2　S13-M.ZT-160(50)～500(160)調容變

圖3　S13-M.ZT自動調容變壓器能效特性

圖4中▲、×、□曲線分別為315kVA自動調容、S13-M.RL和SH15三類節能型配電變壓器的能效特性。負載系數在5%～10%區間內，S13-M.ZT 315（100）自動調容變壓器的綜合損耗率最低，能效特性最優；負載系數在10%～50%區間內，SH15-315非晶合金變壓器的綜合損耗率最低，能效特性最優；負載系數在50%～70%區間內，SH15-315非晶合金變壓器與S13-M.RL 315立體卷鐵芯配電變壓器的綜合損耗率相差很小；能效特性相當；負載系數大于70%時，S13-M.RL315立體卷鐵芯配電變壓器的綜合損耗率最低。由此可見，一臺低損耗的變壓器并不是在任何負載水平下都是高效的，不同負載率狀態下配電變壓器的節能效果可能有很大差別，如果容量選擇不當，同樣存在高損耗率的問題。

節能型配電變壓器負載系數為21%～34%時，可達到節能高效的運行狀態。若按綜合損耗率最低時的最佳負載率選擇配電變壓器容量，會導致變壓器容量選擇過大，與之配套的開關等設備的開斷能力要求高，增加一次投資和年運行費，節約的電能損耗電費可能難以補償初期投資費用的增加，故選擇節能型配電變壓器的容量應從節約資金和節約電能等方面進行量化比較來決定，變壓器容量選擇方法是多種多樣，比如綜合費用分析法、最佳效益法等，應結合負荷特點，從節能、經濟等多方面考慮選取變壓器，使其達到最佳。

圖4　三類節能變壓器能效特性比較

4　應用場所

自動調容調壓變壓器適用于季節性、時段性負荷變化差異大，年平均負載率低的地區。因自動調容調壓變壓器在調節容量時，會出現最長持續40ms的電壓跌落，適合使用如水利灌溉地區、季節性旅游景區、季節性返鄉地區、其他負荷變化較大且允許出現最長持續40ms的電壓跌落地區；而對供電電源穩定性要求高及政治供電需求高的地區和用戶不適用，如醫療、航天、精密設備生產等。

非晶合金配電變壓器由于噪音較大，價格偏高，目前不太適于過小容量配電臺區，且安裝地點不宜過于靠近居民小區和用戶，不宜過負荷運行。S13型立體卷鐵心變壓器噪音低，性價比高，可考慮在靠近居民小區、商業中心等配電臺區使用，過負荷能力較強。

5　結語

配電變壓器的空載損耗、負載損耗以及負載系數的大小決定了變壓器損耗率的高低。國網公司推廣的節能型配電變壓器均具有較高的能效，但若容量選擇不當，不僅存在高損耗率問題，且用戶應擔負更高的經濟支出，應根據臺區負荷大小、性質合理選擇配電變壓器的型號和容量，才能最大程度發揮其節能效果。

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潘麗珠（1976-），女，工程師，從事電網節能、電能質量相關研究。