有载调容变压器的运行功耗及全寿命周期费用分析论文_管金超1,周正琪1,于爱梅1,刘磊2

(1.泰州海田电气制造有限公司 江苏泰州 225300；2.南京理工大学泰州科技学院 江苏泰州 225300)

摘要：就目前电网上在运行的有载调容变压器，与相同损耗水平的普通配变作比较，有载调容变压器的有功损耗及无功损耗要大于相同损耗水平的普通配电变压器，两种变压器在合理的使用期限内，有载调容变压器全寿命周期费用要远高于普通配电变压器。

关键字：有载调容变压器；有功损耗；无功损耗；全寿命周期

Analysis of power consumption and life cycle cost of on load capacity regulating transformer

GUAN Jin-chao1, ZHOU Zheng-qi1, YU Ai-mei1, LIU Lei 2

(1.Taizhou Haitian Electrical Manufacturing Co., Ltd., Taizhou, Jiangsu 225300；2.TaiZhou Institute of SCI&TECH NJUST Taizhou, Jiangsu 225300)

Abstract: As for the current installed Transformer in operation of the electric network, compared with the general configuration of the same loss level, there are ordinary distribution Transformers with active and reactive power losses greater than the same loss level, and the two Transformers are within a reasonable period of use. The total life cycle cost of the loaded Transformer is much higher than that of the ordinary distribution Transformer.

Key words: loaded Transformer; Active loss; Reactive power loss; life cycle

0 引言

变压器是电力系统中的主要设备之一，我国变压器自身损耗占全国发电量的3%以上，而降低变压器损耗是主要的节能措施，因此我国开发了各种类型的节能变压器。例如在负荷呈交替规律变化、短时性或季节性负荷波动大的10kV配电台区，推荐使用永磁真空有载调容调压配电变压器。本文重点论述该类型变压器在运行过程中的实际功耗。将通过计算实例进行分析比较。

1 原理分析

有载调容变压器是通过有载调容调压开关，改变高压绕组的星（Y）角（D）接转换和低压绕组的串并联转换来实现有载调容调压，如图1所示。变压器在带负荷的状态下，智能控制器通过对变压器低压侧的电流监测来判断当前负荷的大小，并根据容量整定值来判定相关的制约条件，如果满足既定条件就会发出相应的指令给有载调容开关，开关会根据指令进行自动地切换分接位置，以及对高压线圈进行星接--角接切换，低压侧串联--并联切换，在不需要停电的情况下完成变压器容量的转化。在大容量调为小容量时，由于低压匝数增加约倍（实际匝数取整），铁心磁通密度降低约倍，硅钢片单位损耗将大幅降低，空载损耗也相应大幅降低。但在大容量调为小容量前后，负载损耗却在大幅升高，导致自身总损耗（空载损耗+负载损耗）反而增加，短路阻抗也由小变大，导致无功损耗也大幅升高。将在下面进行验证。

大容量时连接图

小容量时连接图

图 1 有载调容变压器原理图

2 技术性能指标

2.1 技术参数标准

对于有载调容变压器，机械行业标准JB/T 10778及国网标准Q/GDW 10731等有详细的技术要求，主要技术参数如表1所示。表格中括号前为大容量时的技术参数，括号内为小容量时的技术参数。

表 1 S13-M.ZT型有载调容变压器技术参数表

2.2 计算实例比较

现以两台S13-M.ZT-400(125)和S13-M-400为例，具体技术参数及主材成本见下表。

表 2 S13-M.ZT-400(125)有载调容变压器与S13-M-400配电变压器计算实例

2.3 调容前后空载损耗及空载电流的变化

有载调容变压器在大容量调为小容量时，由于低压匝数增加约倍（实际匝数取整），铁心磁通密度降低约倍，硅钢片单位损耗及磁化容量将大幅降低，空载损耗及空载电流由括号前的数据降为括号内的数据。见表1。实际产品在制造过程中，由于制造工艺水平的不断提高，以及铁芯硅钢片磁化容量的降低，空载电流实测值远小于标准值。而且在大容量调为小容量时，硅钢片的单位损耗降幅大于铁心磁通密度的降幅，所以小容量时空载损耗的实测值也远小于标准值。

2.4 调容前后负载损耗的变化

由表1可以看出有载调容变压器在大容量调为小容量时，负载损耗有较大幅度的降低。S13-M.ZT-400(125)有载调容变压器以a相绕组为例，大容量时低压侧的a1—x1与a2—x2先并联，再与a3—x3串联。转换为小容量时低压侧的a1—x1、a2—x2、a3—x3全部串联。a1—x1段电阻约为0.0025Ω，a1—x1段与a2—x2段电阻相等，a3—x3段电阻约为0.00053Ω。在大容量时低压侧a相的相电阻为0.00178Ω,在小容量时低压侧a相的相电阻为0.00553Ω。可以得出有载调容变压器在大容量调为小容量时，低压侧相电阻增大约3倍。高压绕组在D—Y转换的过程中，相电阻没有变化，但绕组的相电流却增加了倍。而变压器的负载损耗与相电阻及相电流的平方成正比关系。所以有载调容变压器在大容量调为小容量运行之后，负载损耗升高了约3倍。

2.5 调容前后短路阻抗的变化

有载调容变压器的短路阻抗指标，在表1中可以看出630kVA以下的变压器，调容前后没有变化均为4.0%（4.0%），括号外数据的基准容量为大容量，括号内数据的基准容量为小容量。在设计过程中为了满足调容前后短路阻抗指标均在标准范围之内。大容量正常设计为正偏差。因为小容量时实测短路阻抗正常比大容量小一些。普通变压器的短路阻抗随着负载容量的降低而减小，有载调容变压器的短路阻抗，在大容量时随着负载容量的降低而减小，大容量调为小容量瞬间短路阻抗增大约3倍，在小容量时随着负载容量的降低而减小。

2.6 实测不同负载容量下的技术参数变化

将表2中的两台变压器分别进行试验。把不同负载容量下所对应的技术参数实测值进行比较。得出表3。

表 3 S13-M.ZT-400(125)有载调容变压器与S13-M-400配电变压器在不同负载容量下技术参数实测值

由表3可以看出，相同容量的S13-M.ZT-400(125)型有载调容变压器与S13-M-400型配电变压器，在负载容量由400kVA降低为125kVA阶段，两者的空载损耗、空载电流、负载损耗、短路阻抗的变化规律是一致的。但在负载容量由125kVA降低为小容量档位阶段，有载调容变压器的空载损耗大约降低为普通变压器的1/3，空载电流也有所降低，但有载调容变压器的负载损耗大约升高为普通配电变压器的3倍。短路阻抗也大约升高为普通变压器的3倍。

3 运行功耗分析

3.1 变压器的功率损耗

变压器的功率损耗包括有功功率损耗及无功功率损耗，计算公式如下：

有功功率损耗：△PT=△P0+△Pk(SC/SN)²,kW

无功功率损耗：△QT=△Q0+△Qk(SC/SN)²,kvar

△PT—变压器中的有功功率损耗,kW；

△QT—变压器中的无功功率损耗,kvar；

SC—变压器计算负荷,kVA；

SN—变压器额定容量,kVA；

△P0—变压器空载有功损耗,kW；

△PK—变压器短路有功损耗,kW；

△Q0—变压器空载无功损耗,kvar,

△Q0=I0%SN/100；

I0%—变压器空载电流占额定电流的百分数；

△QK—变压器短路无功损耗,kvar,

△QK=uk%SN/100；

uk%—变压器阻抗电压占额定电压的百分数。

众所周知,无功会增加系统的损耗。根据无功平衡原理,无功损耗分布在整个电网之中。因此要精确测量无功电流造成的有功损耗是不可能的事情,因此提出了无功经济当量的概念。则变压器的总损耗为:

△PZ=△PT+KQ△QT,kW

△PZ—变压器总损耗,kW；

KQ—无功经济当量,kW/kvar；(根据《农村配电设计手册》,10kV配电变压器,无功经济当量一般取0.15)

3.2 有功损耗

根据“表3”可以得出下面的“负载容量--损耗”有功损耗曲线。

图 2 “负载容量--损耗”有功损耗曲线

由图2可以看出，在高档位运行时，S13-M.ZT-400(125) 与S13-M-400有功损耗的变化一致。可以不做相互比较。在小容量档位运行时，存在A、B两个区域，变压器在A区运行时，有载调容变压器的有功损耗低于普通变压器。变压器在B区运行时，有载调容变压器的有功损耗高于普通变压器。A、B两个区域的负载容量交叉点大约在73kVA（小容量的58%负载率）处。负载容量越接近125kVA时，两者有功损耗差值越大。

3.3 无功损耗

根据“表3”可以得出下面的“负载容量--损耗”无功损耗曲线。

图 3 “负载容量--损耗”无功损耗曲线

由图3可以看出，在大容量档位运行时，S13-M.ZT-400(125)与S13-M-400无功损耗的变化一致。由于有载调容变压器的短路阻抗略大于普通变压器，导致在大容量档位运行时，有载调容变压器的无功损耗曲线略高于普通变压器。所以在大容量档位运行时，两种变压器可以不做相互比较。而在小容量档位运行时，两种变压器的“负载容量--损耗”交叉点大约在46kVA（小容量的37%负载率）处。负载容量大于46kVA运行时，有载调容变压器的无功损耗大于普通变压器，负载容量越接近125kVA时，两者无功损耗差值越大。

3.4 案例分析

据悉，安装于某配电台区的一台S13-M.ZT-400(125)有载调容变压器，该变压器平均每日大容量方式下运行时间约5小时，平均每日小容量方式下运行时间约19个小时。每日用电负荷变化比较有规律性，最大负荷出现在晚上8点左右。全年平均负载率在26%左右。大容量时平均负载率在41%左右,小容量时平均负载率在71%左右。

由于负载情况是一个动态的过程，我们为了简化计算，该变压器负载情况分解为，小容量时平均负载折算为89kVA，每日运行19个小时。大容量时平均负载折算为164kVA，每日运行5个小时。

S13-M.ZT-400(125)变压器的功率损耗计算如下：

△PT2D=0.13+1.237×(89/125)²=0.757 kW

△PT2G=0.402+4.38×(164/400)²=1.138 kW

△QT2D=0.12×125/100+4.2×125/100×(89/125)²=2.811 kvar

△QT2G=0.21×400/100+4.31×400/100×(164/400)²=3.738 kvar

△PZ2=[(19×△PT2D+5×△PT2G)+KQ(19×△QT2D+5×△QT2G)]×365=11274 kW

如将案例中S13-M.ZT-400(125)有载调容变压器换成一台S13-M-400普通变压器。

S13-M-400变压器的功率损耗计算如下：

△PT1D=0.404+4.338×(89/400)²=0.619 kW

△PT1G=0.404+4.338×(164/400)²=1.133 kW

△QT1D=0.17×400/100+3.95×400/100×(89/400)²=1.462 kvar

△QT1G=0.17×400/100+3.95×400/100×(164/400)²=3.336 kvar

△PZ1=[(19×△PT1D+5×△PT1G)+KQ(19×△QT1D+5×△QT1G)]×365=8795 kW

上面公式中的符号分别表示：

△PT2D—S13-M.ZT-400(125)小容量时有功功率损耗,kW；

△PT2G—S13-M.ZT-400(125)大容量时有功功率损耗,kW；

△QT2D—S13-M.ZT-400(125)小容量时无功功率损耗,kvar,

△QT2G—S13-M.ZT-400(125)大容量时无功功率损耗,kvar,

△PZ2—S13-M.ZT-400(125)全年的总损耗,kW；

△PT1D—S13-M-400小容量时有功功率损耗,kW；

△PT1G—S13-M-400大容量时有功功率损耗,kW；

△QT1D—S13-M-400小容量时无功功率损耗,kvar,

△QT1G—S13-M-400大容量时无功功率损耗,kvar,

△PZ1—S13-M-400全年的总损耗,kW；

4 全寿命周期费用分析

4.1 全寿命周期费用计算模型的建立

配电变压器的全寿命周期费用（LCC）是指包括设备购置、安装、运行、检修、改造直至报废的全过程发生的费用。

应用以下计算模型框架：

LCC=CI+CO+CM+CF-CD

CI—是指初次投入费用；

CO—是指运行费用；

CM—是指检修维护费用；

CF—是指故障费用；

CD—是指设备退役处置费用；

4.2全寿命周期费用计算模型的参数取值

根据相关数据统计分析结果，配电变压器的全寿命周期费用（LCC）计算部分参数如图4

图 4 全寿命周期费用参数设置

1．年运行小时数=8760，h；

2．年平均负荷率=26(41/71)，%；（括号内数据为有载调容变压器）

3．电价=0.65，元/kWh；

4．电价年增长率=3，%；

5．利率=5，%；

6．巡检人员年工资=12，万元/年；

7．年巡检时间间隔=12，人·次/年；

8．每次巡检时间=1，h；

9．工资年增长率=5，%；

10．年平均故障率=0，%；

11．故障平均停电时间=0，h；

12．材料平均回收价=17000，元/吨；

13．拆迁费用=拆迁系数*安装费用，元；（国网相关规定拆迁系数取0.468）

14．安装费用=设备购置费基准价×10%，元；

15．调试费用=设备购置费基准价×5%，元；

16．运输费用=设备购置费基准价×3.5%，元；

4.3 全寿命周期费用计算结果

将上述案例中S13-M.ZT-400(125)和S13-M-400变压器的技术参数输入后，全寿命周期费用计算结果分别如表4和表5：

表 4 S13-M.ZT-400(125)有载调容变压器全寿命周期费用计算结果

表 5 S13-M-400配电变压器全寿命周期费用计算结果表

5 结论

上述计算实例，虽然不能完全代表有载调容变压器的全部负载状况,但具有一定的代表性。从计算实例可以看出，S13-M.ZT-400(125)有载调容变压器在小容量档位运行时，负载率大于58%时，有载调容变压器的有功损耗大于普通变压器。负载率大于37%时，有载调容变压器的无功损耗大于普通变压器。而负载率小于58%时，有载调容变压器的有功损耗略小于普通变压器。负载率小于37%时，有载调容变压器的无功损耗略小于普通变压器。并运用变压器的全寿命周期费用的计算方法，对案例中的S13-M.ZT-400(125) 和S13-M-400进行分析计算，可以得出两种变压器的全寿命周期费用，建议有载调容变压器在推广使用过程中应综合考虑。

参考文献：

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[4] 韩筛根,郭献清,汤 茜,等.有载调容变压器运行中最佳容量调节点分析和计算[J].变压器，2013(9):1-6.

[5] 姜益民,马骏.变压器的全寿命周期成本分析[J].变压器，2006(12):30-36.

作者简介：

管金超(1985-),男,江苏南京人,高级工程师。

论文作者:管金超1,周正琪1,于爱梅1,刘磊2

论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期

论文发表时间:2020/5/6