某热源厂配电变压器选择及能效分析

唐恺亮，张继强

摘要：随着我国工业化、城镇化的持续发展，环境污染问题变得愈发突出。而其中的大气污染是环境污染的重要组成部分之一，对人们的身心健康造成了较大的影响，同时制约着我国经济的进一步发展。为解决人们的“心肺之患”，促进绿色的生产和生活方式，实现经济和社会的可持续发展，国家持续推进大气污染治理，完善大气环境管理制度。推出“大气污染防治十条措施”，对燃煤锅炉进行了全面整治。本文针对某燃气锅炉房的负荷分布情况及供配电系统特点，从能耗的角度对变压器的选择进行了分析对比。重点对比了在用户负荷不变的情况下，变压器容量以及变压器型号两个维度的变化对工程总能耗的影响。分析的结果表明，使用新型节能变压器初始成本更高，但在长期使用的情况下，新型节能变压器给工程运行所节约的电费能覆盖这部分多出的成本，同时节约了电能消耗，更符合国家节能降耗的要求。

关键词：变压器;能效标准;节能评价;综合损耗计算

中图分类号：TM421

0前言

燃气锅炉由于使用的是清洁能源，做到了燃烧清洁、排放污染低、成本适中，并且符合国家蓝天工程的政策，近年来在新建及改扩建的热源厂得到了广泛应用。在这样的背景下，对热源厂的变压器能耗问题进行研究，在满足工艺使用需求的情况下，进一步降低变压器的损耗，即符合节能减排的政策目标，又满足业主单位对于成本管控的需要。

1工程概况

某热源厂工程，安装有2台燃气锅炉，承担着周围居民的冬季供暖任务，属当地重要民生工程，具有较大的社会影响力。热源厂的用电负荷分为日常负荷及冬季季节性负荷两部分：日常负荷及冬季季节性负荷合计计算功率约为988kW。其中季节性负荷占比约为90%，且均为二级负荷。日常负荷占比约为10%，大部分为三级负荷。

2供配电系统分析

考虑到本工程的负荷性质，若中断供电将造成本热源厂供热区域内所有用户停止供暖，造成较大的经济损失及社会影响。因此热源厂整体为二级负荷，其中日常负荷占所有负荷的10%且大部分为三级负荷，冬季季节性负荷占所有负荷的90%且大部分为二级负荷[1]。

本项目用电负荷的特点为：①二级负荷占比很高，并且大部分二级负荷为冬季季节性负荷;②二级负荷中的鼓风机、引风机和循环泵等设备功率较大、台数较少，因此其单台设备功率在总负荷中的占比较大，设备启动时启动冲击电流较大。

一般情况下，配电变压器较大时，根据各地供电部门的相关要求及继电保护的需要，10kV开关柜宜采用断路器+微机综保的保护配置，并且10kV进线侧通常采用定时限保护，以满足市政电网的相关要求。本热源厂属于当地电力系统的终端用户，根据电力部门对用户10kV总进线开关处继电保护设置的要求，通常将保护类型设定为定时限保护，并按照变压器安装容量高压侧额定电流的1.2倍作为过流系数进行整定[2]。为避免因大功率设备启动时冲击电流较大，使高压侧实际电流值大于10kV进线断路器定时限保护整定值而跳闸，宜配置较大容量变压器、大功率设备宜采用变频启动，以确保变配电系统长期可靠运行。

综合考虑以上情况，本项目共设置三台主变：两台大容量采暖期专用变（一用一备）及一台小容量日常变。在非采暖期，关闭两台采暖期专用变，由日常变供电;在采暖期，关闭日常变，由采暖期专用变给所有负荷供电。

3配电变压器选择

本项目在冬季采暖期季节性用电负荷较大。对于容量大的变压器宜采用油浸式变压器，有利于散热，过载能力相较于干式变压器更强。因此35KV及以上的配電变压器均为油浸式变压器。对于20kV及以下的配电变压器，油浸式变压器与干式变压器均有使用。考虑到本项目为市政工程，位于城市核心区域，工程用地极为紧张，厂区面积较小，没有条件设置独立的变压器室。只能将10kV变配电室各功能房间合建，以节省建筑面积，故选用干式变压器[3]。

本工程配电变压器宜选用 SCB13型（电工钢带干式配电变压器）或SCB（H）15型（非晶合金干式配电变压器）等噪声小、损耗小，节能环保的干式变压器。在计算有功功率为988kW，计算视在功率为1040kVA的负荷条件下，分别选用SCB13-1600/10/0.4kV、SCB13-1250/10/0.4kV、SCB（H）15-1600/10/0.4kV及SCB（H）15-1250/10/0.4kV共四型干式变压器，对四种型号变压器分别进行能效等级评定、综合能耗分析、经济分析比选，选出性价比较高的变压器（如表1所示）。对今后相关工程项目建设、变压器选择具有现实指导意义。

经能效评价可看出，以上四种型号、规格变压器的空载损耗、负载损耗均优于3级能效等级指标，SCB13型达到2级能效指标，SCB（H）15型达到1级能效指标[4]，因此该热源厂选用这四种变压器能效值均能达到国家标准限定值的要求，变压器属于节能型设备。

4配电变压器能效分析

①双绕组变压器年有功电能损耗：

〖?W〗_T=P_0 t+P_k β^2 τ;

②双绕组变压器年无功电能损耗：

〖?W〗_Q=（I_0%）/100 S_rT t+（u_k%）/100 S_rT β^2 τ;

③变压器综合电能损耗：

〖?W〗_P=（P_0+K_Q  （I_0%）/100 S_rT）t+（P_k+K_Q  （u_k%）/100 S_rT）β^2 τ;

以上式中 〖?W〗_T——变压器年有功电能损耗，kWh;

〖?W〗_Q——变压器年无功电能损耗，kvarh;

〖?W〗_P——变压器年综合电能损耗，kWh;

P_0——变压器空载损耗，kW;

P_k——变压器短路损耗，kW;

I_0%——变压器空载电流百分数;

u_k%——变压器额定短路阻抗电压百分数;

t——变压器全年投入运行小时数;

τ——变压器年最大负荷损耗小时数;

β——变压器负载率;

S_rT——变压器额定容量，kVA;

K_Q——无功经济当量，kW/kvar;取0.1kW/kvar。

根据上述三个计算公式，计算出变压器综合损耗计算表及经济指标计算表如表2、表3所示，

从上述表格计算分析可以看出，变压器综合电能损耗与变压器采用的材料、工艺有关，同时与变压器的负载率β密切相关，从变压器有功电能损耗、变压器无功电能损耗及综合损耗计算表可以看出，随着变压器负载率的提升，变压器综合电能损耗有明显提升，变压器温升明显，加速变压器绝缘老化，降低变压器的使用寿命[5]。针对干式变压器过载能力偏弱的特点，应降低干式变压器的负载率β，以满足干式变压器安全、可靠、延长使用寿命的要求。

本項目在计算有功功率988kW、计算视在功率为1040kVA的情况下，变压器采用1600KVA时负载率为65%，变压器采用1250KVA时负载率为83%，均能满足使用要求。但从变压器综合损耗计算表、经济指标计算表可以看出，变压器并非负载率越高能耗越低，负载率越高越经济。而是变压器的负载率在65%～70%左右更为合理，属于变压器高效节能区，确保干式变压器安全、经济、可靠运行，同时有一定负荷裕量，可延长变压器使用寿命;综合损耗计算表及经济指标计算表的分析，采用1600KVA变压器性价比高于1250KVA变压器[6]。

5结论

上文分析的SCB13型电工钢带干式变压器及SCB（H）15型非晶合金干式变压器这两种不同材料、不同工艺制作生产的变压器，均属于节能产品。SCB13型电工钢带干式变压器在传统SCB9、10、11、12型电工钢带干式变压器基础上改进而来，属于传统、成熟、主流的干式变压器，性价比较高;SCB（H）15型非晶合金干式变压器属于新材料、新工艺、新型干式变压器，空载损耗很小，在目前看来尚处于推广阶段，价格相对比较高。随着国家节能减排及环保要求越来越严;随着国家对《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录》出台，满足相关能效限定额及节能评价时才允许生产使用。今后 SCB（H）15型变压器技术进一步成熟后，将来有广阔的发展前景。

从综合损耗计算表及经济指标计算表可以看出，在目前设计中采用SCB13型变压器，是电工钢带干式变压器系列中最节能、最成熟的产品，产品价格较低，初次投入购置费较低，综合损耗也较低，运行成本较低，符合国家节能减排要求，属于性价比较高的产品，可推荐使用;从长远看，SCB（H）15型变压器采用非晶合金干式变压器，属于新材料、新工艺，随着技术改进，市场认可度的提高，价格进一步降低，可推广使用。

本项目采暖期，目前推荐采用SCB13-1600KVA变压器，从长远看，推荐采用SCB（H）15-1600KVA变压器。确保本热源厂安全、可靠、经济运行。

参考文献

[1]张亦男.关于干式配电变压器的使用及技术发展分析[J].节能，2019，38（02）：138-139.

[2]李春霞，赵祥光，卢金铎，刘亚.配电变压器能效标准对比分析[J].变压器，2020，57（05）：57-61+64.

[3]谢宏伟，李捷，张良，陶晓峰，周宇.配变系统能效分析及评价[J].机电信息，2017（36）：32-33.

[4]蒋旻奕，丁毅，焦系泽，张森.配电变压器容量选择方法研究[J].湖北电力，2019，43（06）：43-48+55.

[5]崔建，刘畅.加工厂配电变压器容量选择[J].科技风，2017（22）：186.

[6]陈军，赵小玲.制浆造纸企业配电变压器的选择和节能探讨[J].中国造纸，2020，39（11）：48-52.

作者简介：唐恺亮（1991-），男，湖南永州人，工程师，本科学历，毕业于兰州理工大学，电气工程专业，主要从事水厂、换热站、锅炉房、综合管廊等工程电气专业的设计工作。