油田配电网变压器节能改造的研究

陈亚莉

（胜利石油管理局 电力管理总公司，山东 东营257000）

1 油田配电网现状及问题的提出

随着油田的发展，油气勘探开发的深入 ，用电量不断增大，年耗电量和损耗量也在不断增加。因此，在保证产量的前提下，结合当前配电网升压改造工作，进行配电网的节能研究，积极推广应用配电系统节能降耗新技术、新工艺，进一步减少电能在生产输送、分配及利用中的损耗［1］，提高电能的利用效率，对于提高油田的经济效益有着十分重要的意义。

油田配电网始建于油田开发初期，经过40多年的运行，电网中存在大量的高耗值变压器，以及变压器负载率多在30%左右的不合理现象。电网中的S7、SL非节能型变压器均为1987年以前生产的高耗能变压器，其空载损耗和负载损耗较高，且老化严重，维护工作量增大。因此，在配电网升压改造中，有必要进行变压器容量控制、更换新型节能变压器，从而降低变压器的自身损耗，达到节能降耗的目的，提高配电网经济优质运行。

2 变压器的工作原理

电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。当一次绕组通以交流电时，产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，在二次绕组中感应出交流电动势。二次感应电动势的高低与一二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。电力变压器的主要作用是传输电能，额定容量是其主要参数。额定容量是一个表示功率的惯用值，它表征传输电能的大小，单位以kVA或MVA表示，当对变压器施加额定电压时，根据它来确定在规定条件下不超过温升限值的额定电流。

变压器是基于电磁感应原理而工作的。因为它的工作原理以及工作时内部的电磁过程与电机（发电机和电动机）完全相同，故将它划为电机一类，仅是旋转速度为零（即静止）而已。变压器本体主要由绕组和铁芯组成。工作时，绕组是“电”的通路，而铁芯则是“磁”的通路，且起绕组骨架的作用。一次绕组输入电能后，因其交变电流而在铁芯产生了交变的磁场（即由电能变成磁场能），不断交替变化的磁力线匝链穿透二次绕组，在二次绕组感应出二次电动势，当外电路接通时，则产生了感生电流，向外输出电能（即由磁场能又转变为电能）。这种“电—磁—电”的转换过程是建立在电磁感应原理基础上的，这种能量转换过程也就是变压器的工作过程。

3 变压器的损耗分析

变压器在传输功率过程中，其自身要产生有功功率损耗，变压器的有功功率损耗是空载损耗和负载损耗之和。其中，空载损耗为变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率正弦波形的额定电压时所消耗的有功功率。

变压器的空载损耗P0是一个常数，仅与变压器的自身特性和运行电压有关，不随负载变化，是一个固定的损耗，由变压器生产厂通过试验测得，并在变压器铭牌上标出。

变压器的负载损耗PL则随负载电流的变化而变化，因此，变压器生产厂在变压器铭牌上标出的是短路损耗PK，系指变压器二次绕组短路（稳态），一次绕组流通额定电流，绕组工作温度为75℃时产生的有功功率损耗。

利用变压器的等值电路，短路损耗PK还可表示为

式中，In为变压器额定负载电流，kA；R为变压器绕组的等值电阻，Ω。

在变压器的实际运行过程中，变压器的负载损耗PL则可表示为

式中，I为变压器运行负载电流，kA。

因此可得出变压器在负载电流为I时的总损耗值

式中，P为变压器的总损耗功率，kW；P0为变压器的空载损耗功率，kW；PL为变压器的负载损耗功率，kW。

4 变压器的临界负载电流计算

两台不同容量的变压器相同的负载电流I，容量大的一台空载损耗为P10，短路损耗为P1K，额定负载电流为I1n；容量小的一台空载损耗为P20，短路损耗为P2K，额定负载电流为I2n。设两台变压器的损耗相等，即P1＝P2，则

由上式可得临界负载电流

当负载流I＜I′时，容量大的变压器损耗较大，此时应在满足负载要求的情况下，选择容量小的变压器投入运行（I必须小于容量小的变压器的额定电流）。反之，当I＞I′时，容量大的变压器损耗较小，此时应选择将容量大的变压器投入运行。因此，在配电网改造过程中，应充分考虑到临界负载电流大小，选择合理容量的变压器，使得变压器的自身损耗最小。

5 节能型变压器指标分析

5.1 节能型变压器性能指标分析

目前市场主要有两种类型的变压器，比S11变压器更加节能、环保。他们分别是SH15非晶合金变压器和S13型、S14型超低损耗变压器。

SH15非晶合金变压器采用非晶合金带材作为铁芯材料，能在S11变压器基础上，降低约60%的空载损耗［2］。生产厂家主要是上海置信电气、西安特变、山东达驰、沈阳变压器厂、新疆特变。目前国家电网正在推行SH15型变压器的使用，各单位都使用过这类变压器。

S13型、S14型超低损耗变压器，通过使用优质的硅钢片（新日铁）和优化的电磁设计，能在S11型变压器基础上降低空载损耗30%。国内各大知名变压器厂家都具备这种类型变压器的生产能力，其中ABB公司的S14型变压器已在中国通过型式试验，并在电网上运行。

新型节能变压器与S7型变压器相比空载损耗和负载损耗都有很大程度的降低，各种型号变压器参数见表1。

表1 各种型号变压器损耗参数kW

由表1可以看出：

（1）变压器的损耗由空载损耗和短路损耗组成，且一般变压器的负载损耗占到变压器总损耗的80%以上。

（2）在空载损耗方面，S11型、S13型、S14型、SH15型变压器分别比S7型变压器降低36%、55%、78%；在短路损耗方面，S11型、S13型、SH15型变压器比S7型变压器降低都是24%，S14型则降低了35%。

（3）S13型、S14型、SH15型变压器在空载损耗上比目前S11型变压器还低，其中SH15型变压器比S11型变压器空载损耗降低64%，S13型和S14型比S11型空载损耗降低29%；在短路损耗上S11型、S13型、SH15型一致，S14型比S11型、S13型、SH15型短路损耗降低15%。因此，S14、SH15型变压器比S11型变压器在节能方面更有优势。

5.2 节能型变压器经济指标分析

在评价变压器节能时，投资回收年限是一个很重要的经济指标［3］，其公式如下：

式中，N为投资回收年限，a；K为变压器投资，元；△B为变压器节能年收益，元；C为电价，元/（kW·h），按照0.5元/（kW·h）计算；Th为全年运行小时数，h，取8 760h；△Po为所选用类型变压器与S7型变压器相比空载损耗的差值，kW；△PK为所选用类型变压器与S7型变压器相比短路损耗的差值，kW；L为变压器负载率，结合油田变压器的统计台帐，分别取0.2、0.5、0.7进行计算。

由于油田S7型变压器的容量从50kVA到800 kVA不等，为减少计算量现以常见的100kVA、200 kVA为代表，负载率分别取0.2、0.5、0.7进行计算分析。各种型号变压器的投资回收年限见表2。

表2 各种型号变压器投资回收年限

从上表可以直观的看出：L＝0.2时，更换的变压器都不能在短期内收回投资，比较而言，SH15非晶合金变压器回收年限最短；当L＝0.5，非晶合金变压器的优势在逐渐缩小甚至不如S14型变压器；当L＝0.7时S14型变压器投资回收年限最短。

通过以上分析可以得出，在进行变压器更换时，S14型和SH15变压器都比S11型的投资回收年限短。因此，当负载率较低（小于50%）时采用非晶合金变压器，当负载率超过50%时可以采用S14型变压器。

这是因为变压器节能年收益公式：△B＝CTh（△Po＋△PKL）是变压器空载损耗、负载损耗、负载率的一个函数；一般情况下△PK远大于△Po（大约是3∶1），因为在负载率较低的情况下△PK的优势显现不出来，而随着L的不断增大（L≥0.58）才能逐渐显现出来，所以在负载率较低的情况小空载损耗小的非晶合金变压器具有投资优势，而负载率大于0.5时空载损耗和负载损耗都降低了的S14型变压器就非常具有投资优势。

6 结束语

在油田配电升压改造过程中，利用计算临界负载电流的变压器经济运行技术，有效控制了变压器的容量，改变了油田电网普遍存在的变压器容量不合理现象，提高了变压器的运行效率。通过对变压器性能和经济指标的分析，论证了用S14型、非晶合金变压器更换旧变压器的合理性与必要性，新型节能变压器的广泛应用可大大降低电网的线路损耗，取得了良好的节能降耗效果，进一步强化电网经济优质运行，并提高油田电网安全生产运行系数和工作可靠性，以确保电网供电能力和供电质量。

［1］沈瑜，徐逸清，陈龙翔.高压配电网优化规划的研究［J］.电网技术，2011，35（10）：70－75.

［2］姚志松，姚磊.新型配电变压器结构、原理和应用［M］.北京：机械工业出版社，2007：1.

［3］王志波.电力线路技术改造工程的立项及方案优选［J］.内江科技，2008，29（4）：113－114，170.