一种新的电力变压器效率评价方法

郑黎明

（中山ABB变压器有限公司，广东中山 528449）

0 引言

2019年12月27日，由国务院国资委、工信部、中国电力科学研究院、中国钢研科技集团有限公司等多个部门联合组成的国家节能变压器调研组在沈阳变压器研究院进行了调研[1]，由此可看出，变压器的节能减耗对经济的可持续性发展意义重大。变压器节能一方面体现在经济运行上，为了能让用户选择到节能型的变压器，在招标阶段对变压器的效率评价方法尤为重要。朱英杰[2－3]论述了电力变压器损耗比的两种概念及其与效率的关系，指出应将无功损耗折算到有功损耗后再计算损耗比和节能效果更为合适；钟月梅等[4]提出了电力变压器经济运行应考虑电压的波动因素。目前常用的电力变压器效率评价方法见第1节，其中存在一些不足，即未区分空载损耗及负载损耗的权重，换言之，在电力变压器效率评价时，空载损耗和负载损耗的贡献值是一样的，但是在设计、生产阶段空载损耗及负载损耗对成本的影响是不一样的，空载损耗相对于负载损耗对电力变压器成本的影响更大；在运行阶段，空载损耗比负载损耗对电力变压器的经济运行的影响也更大。空载损耗存在于电力变压器通电运行的整个阶段，而负载损耗跟负载率近似成正比关系，在电力变压器的实际运行工况中，电力变压器在一天中有较长时间处于空载运行状态，通常不会满负荷运行，平均负荷为50%左右[5]，因此不管是在设计阶段还是在运行阶段电力变压器空载损耗均比负载损耗更重要，在电力变压器招标阶段引入有空、负载损耗权重的评价方法非常有必要。

IEC60076－20提出了PEI（最高效率指标）用于评价电力变压器的效率，本文详细介绍了PEI，从设计成本的角度出发说明了空载损耗及负载损耗对变压器成本的影响，比较了传统的电力变压器效率计算方法与PEI计算方法，指出了PEI的优势，并考虑到电力变压器的运行成本，最后建议采用简化PEI作为电力变压器招标时效率评价的新方法。

1 电力变压器效率的传统评价方法

在国内电力变压器的招标协议中规定的效率评价方法通常考虑功率因素为1，负载率为1时，电力变压器效率η计算如下：

式中：S 为电力变压器的额定容量，kVA；Po为空载损耗（不考虑冷却设备的损耗），kW；Pk为负载损耗（基于温度75 ℃），kW。

式（1）与汤蕴璆[6]介绍的效率计算公式略有区别，当功率因素为1，负载率为1时，电力变压器的效率η为：

式（1）与式（2）的区别在于对变压器额定容量的定义不同，式（1）中额定容量定义为输入侧的容量，式（2）中额定容量定义为输出侧的容量。

2 最高效率指标PEI

2.1 PEI推导过程

当功率因素为1、负载率为1时，电力变压器的效率[7]:

式中：L 为变压器的空载损耗和负载损耗（含冷却设备损耗）之和。

进一步，当功率因素为1，负载率为k时，效率计算公式为：

式中：k为负载率。

为了得到效率的最大值，将式（4）对k进行求导得：

当效率最大时有：

式（6）化简可得：

根据式（7）可知，当电力变压器的空载损耗及负载损耗确定时，电力变压器的负载率为何值时可获得最高效率，以50 MVA/110 kV 三相双绕组有载调压电力变压器为例，根据GB/T 6451，空载损耗为38.2 kW，负载损耗为194 kW。根据式（7）可计算出最佳负载率为44.37%，即当电力变压器年平均负载率为44.37%左右时，若空载损耗为38.2 kW、负载损耗为194 kW，则电力变压器可获得最高运行效率，此负载率与GB/T 6451中的推荐值45%～50%相吻合。

根据以上推导过程可知：在空载损耗和负载损耗确定的情况下，PEI说明了电力变压器在多大负载率时，可达到最高运行效率。

将式（7）代入式（8）中可得：

式中：Pco为空载状态下冷却设备的损耗；为负载率为kPEI时冷却设备相对于空载状态下额外消耗的损耗，这一部分冷却设备产生的损耗被归类至空载损耗（根据IEC60076－20）。

几点说明如下。

（2）用kPEI替換k得到的效率值即为PEI。

（4）对于自冷式变压器，式（9）可简化为：

PEI 的优势在于不需要指定负载率，负载率由实际应用情况决定，变化较大。PEI是变压器的固有参数，当变压器有几级冷却方式，对应不同容量时，不会因为由于冷却方式的变化而改变PEI值，因为容量与负载损耗是以一定关系同时变化的。

2.2 国标损耗效率与PEI对比

根据式（10）可知，空载损耗比负载损耗对PEI 的影响更大，下面以1台50 MVA/110 kV三相双绕组有载调压电力变压器为例来说明空载损耗及负载损耗对PEI 的影响，比较结果如表1 所示。该台变压器的基准损耗根据GB/T 6451 选取，即空载损耗为38.2 kW，负载损耗为194 kW。

表1 不同损耗方案的效率及成本比较Table.1 The efficiency and cost comparison of various loss

对于表1的几点说明如下。

（1）k 表示负载率，表中效率计算基于功率因素为1 的情况。

（2）材料成本仅考虑铜及硅钢片的成本。

（3）运行成本定义为单台变压器每年消耗的电费，假定运行工况：功率因素为1，变压器年平均负载率为50%，电费单价为1元/(kW·h)。

（4）材料成本与运行成本列计算方法：材料成本（或运行成本）/（基准损耗方案的材料成本＋基准损耗方案的运行成本）。

（5）由于硅钢片性能的不断提升，硅钢片的厚度越来越小、单位损耗越来越低，GB/T 6451中推荐的11型损耗水平中的空载损耗太高了，13 型损耗水平跟现在的硅钢片性能更为匹配。

据表1的计算结果，可以得出以下结论。

（1）在总损耗不变的情况下，降低空载损耗、提高负载损耗可以提高变压器的PEI，空载损耗越低，PEI越高。

（2）在总损耗不变的情况下，基于传统的效率评价方法，变压器效率不变（k＝1）。

（3）在总损耗不变的情况下，空载损耗在一定的范围内，设计成本、运行成本均降低，在此情况下用户可获得最大的经济效益（对应优化方案5）。

（4）在总损耗不变的情况下，空载损耗越低，变压器的运行成本越低。

（5）在总损耗不变的情况下，空载损耗在一定的范围内，选用空载损耗低、负载损耗高的方案会给用户带来更大的经济效益，不管是初始采购成本，还是后期运行成本都会降低。

以1台50 MVA/110 kV三相双绕组有载调压电力变压器为例来对比国标11 型损耗与IEC60076－20 中的能效标准，IEC60076－20 中的能效标准有两个等级，这里暂取一级能效（PEI 为99.696%）与国标11 型损耗进行对比。根据表1 的计算结果，11型损耗（空/负载损耗为38.2/194 kW）对应的PEI为99.656%，不能满足IEC60076－20的要求，但若取优化方案5 的损耗，则对应的PEI 为99.697%，可满足IEC60076－20 对于一级能效的要求。

在很多出口项目中，招标要求通常不会规定空、负载损耗的限值，在这里提醒各位从事变压器设计的人员需考虑到IEC60076－20 的要求，在制定变压器设计方案时，基于国标11 型损耗，应考虑降低空载损耗、提高负载损耗以满足IEC60076－20。

3 新的效率评价方法

3.1 简化PEI

基于上文介绍的PEI，并综合考虑到工程应用计算方法应具备简洁性，提出简化PEI的概念，即在PEI的基础上忽略冷却设备的损耗，计算表达式见式（10）。基于简化PEI和电力变压器传统损耗要求提出了一种新的电力变压器效率评价方法，即规定电力变压器的总损耗，采用简化PEI来评价电力变压器的效率。电力变压器的总损耗可根据国标11型损耗来选取。

3.2 简化PEI优势

传统的固定损耗计算效率的方法没有区分空载损耗、负载损耗的权重，不能让最终用户的经济效益最大化。不同的变压器厂家在空载损耗、负载损耗计算、制造工艺方面各有侧重点，比如A厂家常规产品空载损耗低，负载损耗高；B厂家常规产品空载损耗高，负载损耗低。若此时A、B两厂家同时参与竞标，假定电力变压器招标要求损耗为11型，因此空载损耗、负载损耗随之确定，那么A、B两厂家负载损耗响应值通常是一样的，但空载损耗响应值可能会不一样。如前文提及到的11 型空载损耗限值较高，A 厂家响应的空载损耗值可能会低于B厂家，此时A厂家的成本可能略会高于B厂家，而失去中标机会，但若考虑到运行成本，在一段时间内（例如5 年内）B厂家的方案相对于A厂家的方案会使得增加的运行成本超过节省下的初始采购成本，这样一来用户并没有选择到最经济的电力变压器。若招标时，用户只规定总损耗和简化PEI值，而不具体限定空载损耗及负载损耗，那么在方案设计时，A厂家就可以适当提高负载损耗，以降低成本，保持与B厂家的成本一致或更低，若在此种情况下，用户选择了A 厂家，根据表1的对比结果，由于A厂家方案的空载损耗低，会降低变压器的运行成本，从而为用户带来较好的经济效益。

4 结束语

本文采用简化PEI 作为电力变压器效率的评价方法，与传统效率评价方法相比可以节省电力变压器的运行成本，为最终给用户带来更大的经济效益。文献[8]为最新的电力变压器能效限定值及能效等级标准，于2021年6月1日起实施，在新标准中极大地降低了电力变压器空、负载损耗限值，特别是空载损耗限值，例如50 MVA/110 kV 三相双绕组有载调压电力变压器的空、负载损耗限值较11 型损耗分别降低了45%、10%，这也从侧面说明了在节能方面空载损耗的重要性远大于负载损耗，本文提出的新的电力变压器效率评价方法正好与此相契合。