变压器的能效标准及其应用

牛迎水，王 炜

(国网河南省电力公司鹤壁供电公司，河南鹤壁458030)

智能电网最基本的目标是安全可靠、优质高效和灵活互动。高效是指电能在输送、转换、利用等各个过程中，用更低的能源投入提供同等的能源服务。变压器是电网电能变压转换的静止电器，是电网中最重要的耗能元件之一。因此，确定变压器的运行能效标准，并应用该标准指导变压器的选配和运行，使变压器在运行中节能高效是急待探索和解决的问题。

1 变压器的能效标准

按照最新变压器能效国标规定，对于10 kV容量为30～1 500 kVA的油浸式配电变压器和容量为30～2 500 kVA的干式配电变压器，其能效标准执行《三相配电变压器能效限定值及能效等级》(GB 20052-2013);对于35～220 kV额定容量在3 150 kVA及以上的三相油浸式电力变压器，其能效标准执行《电力变压器能效限定值及能效等级》(GB 24790-2009)。变压器的运行能效指标主要体现为其运行的损耗率。下面针对上述两类变压器的能效参数，分别探索和研究符合现代配电网要求的变压器运行能效标准。

1.1 配电变压器的运行能效标准

1.1.1 配变的能效等级简介

根据《三相配电变压器能效限定值及能效等级》(GB20052-2013)，针对当前10 kV三相油浸式配变的损耗水平，将S11、S13、S15三个系列分别定义为相应的能效三级、二级和一级。其中，一级能效最高、损耗最低，同时进一步要求降低能效一级的负载损耗。标准中的能效等级与配电变压器型号的关系如表1所示。

表1 能效等级及与变压器型号的关系

表1中，能效3级为配变的能效限定值。能效限定值是指在规定测试条件下，允许电力变压器空载损耗和负载损耗的最高标准值，超过最高标准值加允许偏差的产品即为不合格产品。它是一个强制性指标，如果变压器的损耗高于该指标就被认为是高耗能产品。根据节能法的规定，这种变压器是不能生产或被销售的，凡生产和销售这种高耗能变压器的行为将被认为是违法行为，要受到法律的处罚。

1.1.2 节能配变的评价标准

按照《三相配电变压器能效限定值及能效等级》(GB20052-2013)规定，三相油浸式节能配变的空载损耗和负载损耗值均应不高于能效等级2级。三相油浸式普通配变的空载损耗和负载损耗值均应不高于能效等级3级。就是说，凡是配变的功率损耗参数小于或等于配变能效国标2级规定值的配变，属于节能型配变;凡是配变的功率损耗参数高于配变能效国标3级限定值的配变，均属于高能耗配变。对照表1可见，凡是S10及以下系列的配变均属于高能耗型，凡是S13及以上系列的配变均属于节能型，S11型配变是非节能的普通型配变。

1.1.3 配变运行的损耗率计算

配变的综合功率损耗包括空载损耗，负载损耗，空载电流无功损耗所引起的有功损耗，负载时绕组漏抗漏磁无功损耗所引起的有功损耗四个部分。其中，无功损耗对配变线损率的影响在0.001% ～0.009%，可以忽略不计。由于配变的四个参数数值均是在额定状态下测定的，且已经根据变压器绝缘材料的等级折算成了标准线圈温度换算值，因此进行变压器损耗率计算时，不再考虑线圈温度的影响。

配变的综合功率损耗ΔPz算式如下:

配变的综合功率损耗率ΔPz%计算公式如下:

式中:P0——配变的空载损耗(kW);kT——负荷波动系数(负荷曲线形状系数k的平方);PK——配变的额定负载功率损耗(kW);β——配变的负载系数;P1、P2——配变的高、低压侧平均有功功率(kW);SN——配变的额定容量(kVA);cosφ ——配变负荷侧的平均功率因数。

由式(2)可知，对于任何一个投入运行的配变，其主要技术参数 SN、P0、PK是一定的。因此，在功率因数一定的条件下，配变的损耗率就随着负荷波动系数、负载系数的变化而变化，只要确定了负荷波动系数KT，就可以计算出配变随着负载系数而变化的损耗率。可以将配变损耗率随着负载系数而变化的规律称为其能效特性。

1.1.4 运行配变的额定损耗率标准

配变额定损耗率是指在负荷系数β为1(满载)的条件下的损耗率。下面根据式(1)、(2)，设定负荷曲线形状系数为1.05，低压侧平均功率因数为0.95，计算2级能效(节能)10 kV常见配变的额定损耗率，以此作为其额定损耗率标准。见表2。

表2 10kV2级能效配变的损耗率标准

由表2可见，虽然都是节能型配变，其损耗率是随着容量的减小而越来越高的。

1.2 电力变压器的运行能效标准

1.2.1 电力变压器的能效等级简介

目前电力变压器的能效国标是《电力变压器能效限定值及能效等级》(GB24790-2009)。该标准中的能效等级共分为3级，其中1级的产品能耗最低，是只有少数生产企业才能达到的技术水平，它是行业能效水平发展的目标。2级是国内的先进水平，也是节能型电力变压器的评价标准，约有20%左右的生产企业可以达到。3极为一般水平，是我国生产和销售的所有产品必须达到的水平。该标准的1级定在S11的水平，2级定在S10的水平，3级定在S9的水平。

1.2.2 电力变压器的节能标准

节能评价值是实施节能产品认证和政府采购的依据，它是推荐性指标，当变压器的损耗等于或低于所规定的节能评价值时，该变压器就可结合其他指标被节能产品认证机构评定为节能产品。获得节能认证的产品可享受国家鼓励性节能政策，并进入政府采购目录之中。当前，凡是能效参数符合2级(S10型)能效标准的电力变压器均属于节能型变>压器。

1.2.3 电力变压器运行的额定损耗率标准

在《电力变压器能效限定值及能效等级》(GB24790-2009)中，明确给出了35～220 kV各类电力变压器的空载损耗、负载损耗和短路阻抗三个能效参数标准，标准中的T级(介于2级至3级之间)为目标能效限定值标准，是指在规定测试条件下，在本标准规定的年限(4年)后，将实施的电力变压器空载损耗和负载损耗的最高限值，即到了2014年7月1日以后，电力变压器将要实施的能效限定值。根据这些标准参数，参考式(1)、(2)，设定双绕组变压器负荷曲线形状系数为1.05，功率因数为0.95，无功经济当量取0.04 kW/kVar。可以推算出变电站常见双绕组电力变压器额定负载情况下的损耗率标准(相同容量三绕组电力变压器的损耗率比双绕组略低)。表3所示为常见110 kV变电站中双绕组有载调压变压器的损耗率标准。

表3 110 kV油浸式双绕组有载调压变压器的能效限定值标准

2 变压器能效标准的应用

本文中的表2、表3分别给出了不同容量变压器的损耗率标准，正确运用这些标准，才能真正实现电网运行的高能效。

2.1 把握最小负载，优选节能配变

配变的空载损耗、负载损耗以及其负载系数的大小决定了其损耗率的高低。从表2可以看出，即使所选配变完全满足国标规定的节能标准，如果容量选择不当，同样存在高损耗率的问题。因此，科学合理地选择配变的型号和容量是决定其运行是否高效的关键。下面设定变压器负荷曲线形状系数为1.05，低压侧平均功率因数为0.95，以10 kV常见节能型配变(能效等级2级)的能效特性为例加以分析。图1是10 kV不同容量节能型配变的损耗率特性图。

图1 10 kV不同容量节能型配变的能效特性图

图1中，横坐标表示配变的负载系数，纵坐标表示其损耗率。曲线从上到下分别是容量50、100、200、315、400 kVA配变的特性曲线。

由图1可见，随着配变容量的增大，其损耗率越来越低，并且低损耗率区间越来越宽。因此，准确掌握配变最小负载系数，对于合理选择10 kV配变容量具有重大的节能意义。

(1)当预计配变所带负载的最小视在功率大于20 kVA时(此时，对于50 kVA配变其负载系数为0.4，损耗率为1.34%;对于100 kVA配变其负载系数为0.2，损耗率为1.14%;对于200 kVA配变其负载系数为0.1，损耗率为1.42%)，选用100 kVA的配变时损耗率最低，能效最高;(2)当预计负载的最小视在功率大于30 kVA时，选用200 kVA的配变损耗率最低，能效最高;(3)当预计负载的最小视在功率大于60 kVA时，选用315 kVA的配变损耗率最低，能效最高;(4)变压器最佳损耗率范围小于1.3%。

2.2 尽可能选用大容量的节能电力变压器

在变电站(所)变压器的规划设计过程中，变压器容量的选择是决定变压器能否经济运行的关键。变压器的容量若选择过大，不但增加了初期投资，而且变压器将长期处于空载或轻载运行状态，使空载损耗的比重增大，功率因数降低，网络损耗增加。这样运行既不经济又不合理。变压器容量若选择过小，会使变压器长期过负荷运行，易缩短使用寿命、损坏设备。因此，变压器的额定容量应根据用电负荷的需要进行合理选择，不宜过大或过小。科学合理地选择变压器型号和容量是决定变压器运行是否高效的关键。

下面以110 kV不同容量1级能效双绕组有载调压变压器为例，分析说明如下。

图2中，横坐标表示变压器负载系数，纵坐标表示变压器损耗率。图中曲线从上到下分别是20 MVA、31.5 MVA、40 MVA、50 MVA、63 MVA 变压器特性曲线。从图中可见:(1)当预计变压器所带负载的最小视在功率大于10 MVA时，选用31.5 MVA变压器损耗率最低，能效最高;(2)当预计变压器所带负载的最小视在功率大于16 MVA时，选用40 MVA或50 MVA变压器损耗率最低，能效最高;(3)变压器最佳损耗率范围是小于0.55%。可见，准确掌握变压器最小负载对于合理选择110 kV变电站变压器容量具有重大的节能意义。

图2 110 kV双绕组有载调压1级能效变压器的能效特性图

3 结束语

电网中运行的变压器数量是巨大的，同时节能潜力也非常大。只有明确节能型变压器标准，掌握变压器容量的科学选配，依托电能量采集系统等技术手段，准确管控变压器运行负载系数，科学评估其运行状态，实时调整配变容量，始终保持变压器处于经济运行的高能效状态，则可带来巨大的降损效益。

［1］ 牛迎水.电力网降损节能技术应用与案例分析［M］.北京:中国电力出版社，2013.

［2］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB20052—2013三相配电变压器能效限定值及能效等级［S］.北京:中国标准出版社，2013.

［3］ 胡景生.变压器能效与节电技术［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［4］ 廖学琦，郑大方.城乡电网线损计算分析与管理［M］.北京:中国电力出版社，2011.