基于GB 20052—2020标准下变压器经济运行的能耗对比分析

刘铁男, 卢 岩, 魏国文, 王振宇

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司, 天津 300110;2.天津市排水管理事务中心, 天津 300110)

0 引 言

当前我国的电网发展已走在世界前列,建设了兼具“智能”和“坚强”的电网体系。但是,随着全球能源供应链的影响使得我国电力供应仍然处于较为紧张的状态,而节电本身就是一种能源开发,对于国民经济的发展具有深远的影响。变压器作为配电网中主要的耗能设备,对其损耗的研究仍是当前的一项重要技术政策。目前,变压器的总装机容量大约是发电机的3倍,每年配电变压器的自身能耗占全国电网总耗电量的1.8%以上。而配电变压器的分布较为广泛,安装数量多,运行时间管理无法统一,因此降低配电变压器的能耗对于碳中和背景下的节能减排具有十分重要的意义。

1 GB 20052—2020对能效限定值的最新要求

GB 20052—2020《电力变压器能效限定值及能效等级》[1]的实施替代了原有GB 20052—2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》[2],新标准将电力变压器和配电变压器能效的要求进行合并为一本标准,对工程人员的参考带来方便。同时,对变压器能耗指标也做出了新的要求。

1.1 适用范围的调整

GB 20052—2020的适用范围较GB 20052—2013的要求有较大的变化,适用范围的对比如下:

(1) GB 20052—2013规定了三相配电变压器的能效等级、能效限定值、节能评价值和试验方法。本标准适用于三相10 kV电压等级、无励磁调压、额定容量30～1 600 kVA的油浸式配电变压器和额定容量30～2 500 kVA的干式配电变压器。本标准不适用于充气式变压器。

(2) GB 20052—2020规定了三相电力变压器的能效限定值、能效等级和试验方法。本标准适用于三相10 kV电压等级、无励磁调压、额定容量30～2 500 kVA的油浸式配电变压器和额定容量30～2 500 kVA的干式配电变压器,以及额定频率为50 Hz、电压等级为35～500 kV、额定容量为3 150 kVA及以上的三相油浸式电力变压器。本标准不适用于充气式变压器、高阻抗变压器。

GB 20052—2020适用范围变化如下:取消了节能评价值的要求;10 kV油浸式变压器的容量提高到2 500 kVA这一等级;增加了35～500 kV变压器的能效要求;增加了不适用于高阻抗变压器这一要求。

1.2 关于配电变压器节能评价值的变化

GB 20052—2020和GB 20052—2013都将变压器能效等级分为3级,其中1级能效最高,损耗最低。GB 20052—2013中第4.4条规定:“配电变压器节能评价值要求油浸式配电变压器的空载损耗和负载损耗值均应不高于2级的规定。干式配电变压器的空载损耗和负载损耗值均应不高于2级的规定”。此条文在其他一些标准中也有类似要求。

GB/T 50878—2013《绿色工业建筑评价标准》[3]中第5.1.2条规定:“电力变压器效率达到现行国家标准GB 24790《电力变压器能效限定值及能效等级》规定的2级及以上能效等级”。浙江省城市供水 现代化水厂评价标准(2018版)中第3.2.3规定:“变压器的损耗值不得高于《三相配电变压器能效限定值及能效等级》表中的2级能效的损耗值”。上海市工程建设规范DG/TJ 08-2143—2014《公共建筑绿色设计标准》第10.4.1条规定:“变压器选择应满足GB 20052中规定的目标能效限定值及节能评价值的要求”。

GB 20052—2020取消了节能评价值的要求。因此,GB 20052—2020在2021年6月1日实施后,配电变压器满足3级能效就可认为满足要求。

一些其他法规和地方性标准多数明确要求配电变压器能效等级不低于2级。依据了解,目前满足GB 20052—2020的干式变压器同等级别价格比GB 20052—2013的价格高出30%以上。在此条件下,如果项目所在地标准要求能效等级不低于2级,可能导致电气部分预算变化较大,因此在工程预算阶段,电气设计人员和预算人员应注意该问题。

2 GB 20052的2020版和2013版空载损耗和负载损耗允许限值的比较

选取设计中常用的容量较大的315～2 500 kVA电工钢带型配电变压器的能耗数据进行比较。GB 20052—2020中10 kV干式三相双绕组配电变压器能效等级(部分)如表1所示;GB 20052—2013中10 kV干式三相双绕组配电变压器能效等级(部分)如表2所示。

表1 GB 20052—2020中10 kV干式三相双绕组配电变压器能效等级(部分)

表2 GB 20052—2013中10 kV干式三相双绕组配电变压器能效等级(部分)

通过对比可以得出:

(1) 新标准中相同容量1～3级能效变压器的相应空载损耗值都有明显减小,其中:新标准的1级能效变压器的空载损耗值比旧标准1级能效变压器的空载损耗值降低约20%;新标准的2级能效变压器的空载损耗值比旧标准2级能效变压器的空载损耗值降低约15%;新标准的3级能效变压器的空载损耗值比旧标准3级能效变压器的空载损耗值降低约20%,且与旧标准的2级能效变压器的空载损耗值相同。

(2) 新标准的1级能效变压器的负载损耗值与旧标准的1级能效变压器的负载损耗值都相同。除630 kVA变压器(短路阻抗为4%)外,新标准的2级能效变压器的负载损耗值比旧标准的2级能效变压器的负载损耗值降低约10%,且与旧标准的1级能效变压器的负载损耗值相同。新标准的630 kVA的2级能效变压器(短路阻抗为4%)负载损耗与旧标准2级能效变压器(短路阻抗为4%)相同。除630 kVA变压器(短路阻抗为4%)外,新标准的3级能效变压器的负载损耗值与旧标准3级能效变压器的负载损耗值降都相同,且与旧标准的2级能效变压器的负载损耗值也相同。630 kVA的3级能效变压器(短路阻抗为4%)负载损耗只与旧标准3级能效变压器(短路阻抗为4%)相同。

变压器的空载损耗一般占变压器总损耗的20%～30%,由于空载损耗不随负荷变化而变化,虽然所占比例不大,但对长期连续运行而负载较轻的配电变压器而言,降低空载损耗具有非常重要的意义。因此,从长远看新标准将配电变压器空载损耗降低15%～20%对电力节能的效果将是巨大的。

变压器的负载损耗一般占变压器总损耗的70%～80%,负载损耗主要受线圈电阻损耗影响,工业生产上大幅度降低较为困难,新旧标准1级和3级能效变压器负载损耗值总体没变,但新标准的2级能效变压器负载损耗仍降低了10%。

3 经济运行的条件下变压器运行方式以及能耗计算

在变压器满足当前GB 20052—2020的能效限定值条件下,通过对变压器进线合理配置,对变压器的运行方式进线优化选择,对变压器负载实施经济性的调整,从而最大限度地降低变压器工作时的电能损耗。

通过对某SCB 14—2000型配电变压器能效参数进行计算,对变压器能耗和变压器经济运行方式进行分析。某SCB 14—2000型配电变压器能效参数如表3所示。

表3 某SCB 14—2000型配电变压器能效参数

3.1 变压器能耗的计算

根据表3,计算变压器功率损耗。

变压器负载功率损耗Pk=14 005 W。

变压器空载无功损耗

变压器负载无功损耗

可得:变压器综合功率空载损耗

P0z=P0+KQQ0=2 075.8 W

变压器综合功率负载损耗

Pkz=Pk+KQQk=14 009.8 W

则变压器综合功率经济负载系数βJZ=0.385。

依据GB/T 13462—2008《电力变压器经济运行》[4]中第6.1.2条可知,变压器在额定负载运行为经济运行区上限,与上限额定综合功率损耗率相等的另一点为经济运行区下限。则经济运行区上限负载系数为1,经济运行区下限负载系数为0.148。

依据GB/T 13462—2008中第6.1.3条可知,变压器在75%负载运行为最佳经济运行区上限,与上限综合功率损耗率相等的另一点为经济运行区下限。则最佳经济运行区上限负载系数为0.75,最佳经济运行区下限负载系数为0.197。

3.2 经济运行方式的判别与评价

某10/0.4 kV变电所中设置2台配电变压器,参数按表3所示,其变压器运行方式选择如下。

依据文献[5]中表16.3-8要求,经济运行临界负荷为

由此可知,变压器运行在经济运行临界负荷时负荷率为0.544。

可以确定该变压器的经济运行条件如下:

(1) 当变压器实际负荷小于1 088.73 kVA时,宜1台运行(变压器一用一备),变压器单台负荷率为0.544;当变压器实际负荷大于1 088.73 kVA时,宜2台运行(变压器分列运行),变压器单台负荷率为0.544/2=0.272。

(2) 当变压器所带负荷容量1 088.73～3 000 kVA时,选用2台变压器分列运行时可保证变压器负荷率运行在0.272～0.75,依据国家标准GB/T 13462—2008中第9.2.1条,该变压器的空载损耗和负载损耗满足标准所规定的节能评价值,且运行在最佳经济运行区0.197～0.750,同时,经济运行管理符合9.1的要求,则认定变压器运行经济。

在实际工程设计时,在综合考虑变电站投资、运行及故障保证率等条件后,应尽量保证变压器的实际运行负荷率在0.55～0.75,这样既符合变压器经济运行的要求,又能较充分地利用变压器的供电能力[6-8]。

4 结 语

本文针对GB 20052—2020对配电变压器的能效限定值要求进行探讨,指明新版本标准的适用范围和节能评价值的要求,并通过对当前能效限定值下配电变压器的能耗进行计算,得出变压器经济运行的一般要求。