化工厂配电变压器经济运行与应用

吴羽生

（成都基准方中建筑设计有限公司，成都 610021）

电力变压器作为电力系统中电压变换的主要设备，被广泛应用于输电和配电领域。变压器在运行过程中，自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗。因此，必须根据变压器的有关技术参数，合理地选择变压器的负载率和运行方式，加强变压器的运行管理，降低变压器的运行损耗[1]。

目前国内对电力系统配电变压器已有大量的研究。文献[2]在分析、计算变压器经济运行区间的基础上，研究了负载功率因数对变压器经济运行的影响。文献[3]分析了变压器的经济负载率和经济运行方式，提出了变压器经济运行中要注意的问题。文献[4]介绍了多种经济运行区间的划分方法，并对其优缺点和应用情况进行了深入比较。在化工企业中，不同的生产工序对应不同的用电负荷，且各种用电负荷大小相差较大。因此，在供配电设计中，常按化工工艺生产流程分区域配电。本文针对化工企业中配电变压器的运行特点，在两部制电价计费的基础上，从变压器自身容量出发，综合考虑变压器的运行效率、能量损耗、折旧等因素，对变压器的负载率和年总运行费用进行研究，提出了变压器经济负载率的计算方法，给变压器容量的选择和负载调整的优化提供了参考依据。

1 变压器的损耗与效率

1.1 变压器的损耗

变压器功率损耗，除了有功损耗，包括铁耗（空载损耗）和铜耗（负载损耗）外，还有无功损耗，包括变压器磁化过程中的空载无功损耗和变压器绕组电抗中的负载无功损耗。因为变压器运行过程中需要使用无功损耗而导致电网增加有功损耗，所以变压器的综合功率损耗为

式中，ΔP为综合功率损耗，kW；ΔP0为空载有功损耗，kW；ΔPK为负载有功损耗，kW；ΔQ0为空载无功损耗，kvar；ΔQK为负载无功损耗，kvar；β为负载率，β=S/Se，其中S为变压器的负载容量，Se为变压器的额定容量，单位均为kVA；K为变压器的无功经济当量，kW/kvar，通常对35~110kV降压变压器取0.1[5]。

1.2 变压器的效率

变压器的效率是指变压器输出的有功功率与输入的有功功率的比值。

式中，η为变压器的效率；cosφ为负载功率因数。

对于给定的变压器，其额定容量、空载损耗和负载损耗是一定的，因而效率η只与负载率和负载功率因数有关，当功率因数一定时，效率就仅仅是负载率的函数，即η=f(β)。

当dη/dβ=0，产生最大效率，变压器运行损耗最低。即

变压器的负载率β=βm时，变压器的效率最高。称最高效率时的负载率为经济负载率。

现以化工厂常用的10kV级Dyn11接线配电变压器为例，研究变压器效率与负载率的关系。该变压器的技术参数如表1所示。

表1 Dyn11变压器技术参数

表1中，I0%为空载电流百分比，Uk%为短路电压百分比。设负载功率因数cosφ=0.9，则变压器效率与负载率关系如图1所示。

图1 变压器效率与负载率的关系曲线

由图1可知，在β=0.3~0.4范围时，变压器效率达到最大值，但是此时的负载率相对较低，变压器容量未得到充分利用，不利于变压器经济运行，所以仅仅从变压器效率出发讨论变压器的经济负载率具有一定的局限性。

2 变压器经济运行

为了使变压器运行更经济、更合理，在考虑变压器运行效率的同时，应综合考虑变压器成本、运行费用、负荷类型等因素，从变压器运行费用上确定经济负载率。变压器的年总运行费由年固定运行费和年变化运行费组成。

2.1 年固定运行费

年固定运行费是指短期内不随变压器工作量的变化而变化的费用，包括基本折旧费、空载损耗费和安装容量的基本电费。

式中，Mg为年固定运行费用；A为变压器价格，取变压器价格为20万；r为年综合折旧率，包括基本折旧及大修、维修、提存费用等，取r=5.39%；t为变压器的年运行小时数，正常情况下，化工企业为了得到最大的经济利益，常采用多班倒生产制度，进一步考虑故障时间，取t=8000h；Dj为基本电价，元/kVA，目前各地基本电价有所不同，取基本电价为20元/kVA；Dd为电量电价，元/kW·h。

该变压器年固定运行费如表2所示。

表2 变压器年固定运行费

由表2可知，年固定运行费用主要由基本电费组成，基本电费占年固定运行费用的95.2%。目前我国对电力设备容量大于315kVA的用户均采用两部制电价计费，电价由基本电价和电量电价两部分组成[6]。其中基本电价只与变压器安装容量有关，在基本电价一定的情况下，年固定运行费用同变压器容量大小成正比，容量越大，其固定运行成本越高。

2.2 年变化运行费

年变化运行费是指短期内随着变压器工作量的变化而变化的费用，包括随负载变化的有功损耗。

式中，Mb为年变化运行费用；S为实际运行负荷。

该变压器的年变化运行费用与负载率关系如图2所示。

图2 变压器年变化运行费与负载率关系曲线

年变化运行费用与变压器负载率成正比关系，随负载率的增大而增大。β=S/Se，所以年变化运行费用与变压器容量成反比，变压器容量越大，其年变化运行费用越小。

3.3 变压器容量与经济运行

变压器的年总运行费用等于年固定运行费和年变化运行费之和。

对配电变压器来说，其容量的大小直接决定了固定运行费用和变化运行费用的多少。在化工厂中，为保证工艺生产流程的正常运行，各用电负荷保持相对持续、稳定的运行。在式（6）中，假设变压器在稳定负荷情况下运行，即变压器的计算负荷已经确定，我们讨论总运行费用M与容量Se的函数关系，即。当时，变压器的运行费用最小、最经济，即

图3 变压器年总运行费与容量关系曲线

变压器年总运行费用与容量关系如图3所示。当Se＜Sm时，年总运行费用主要由年变化运行费用组成；当Se=Sm时，年总运行费用最少、最经济；当Se＞Sm时，年总运行费用主要由年固定运行费用组成。

进一步可知

从式（8）可以看出，变压器的经济负载率不但和变压器自身设计参数有关，还跟变压器的运行负荷和市场电价因素密切相关。

另外，通过对不同容量等级的配电变压器进行计算，我们发现如果要让变压器基本容量与负载容量达到经济运行的匹配状态，那么变压器往往处于过负载运行工况，这就对变压器内部结构和过负荷承受能力提出来更高的要求。

4 结论

变压器经济负载率的确定若仅仅从变压器设计参数出发，按运行时效率最高，功率损耗最低考虑，得到的变压器经济负载率偏低，与实际负荷使用要求相差太大，没有实用价值。应该从变压器年运行费用出发，考虑变压器成本、运行费用、负荷类型等因素来确定变压器经济负载率。

另外，通过对实际化工厂配电变压器运行的分析，可以为相关设计人员在配电变压器容量的选择上提供一定的参考依据。

[1]胡景生.变压器经济运行[M].北京:中国电力出版社,1999.

[2]刘秋英,李强.影响变压器经济运行的两个重要因素及优化措施[J].电工电气,2010(4).

[3]夏春燕.变压器经济运行分析与应用[J].变压器,2007,44(12):24-28.

[4]佘楚云,李永健,徐伟,等.变压器经济运行区间划分方法研究[J].电气应用,2009(17).

[5]丁毓山,高松.变压器最佳容量确定和经济运行[M].北京:中国水利水电出版社,1996.

[6]贺建闽,黄治清.牵引变压器容量的合理选择[J].电气化铁道,2005(6).