劉照林

(國營大眾機械廠，山西太原030024)

在建筑電氣工程設(shè)計時，選擇變壓器容量是一個重要的環(huán)節(jié)。變壓器容量選擇合理與否，直接關(guān)系到企業(yè)供配電系統(tǒng)的運行能否經(jīng)濟合理。影響變壓器經(jīng)濟容量選擇的因素很多，其中主要包括:總計算負荷的大小、年最大負載損耗時間、變壓器類型及經(jīng)濟負載系數(shù)、現(xiàn)行電價等。本文通過對配電變壓器經(jīng)濟容量的幾個主要影響因素的分析，試圖從中找到或建立一種能綜合考慮各種影響因素的配電變壓器經(jīng)濟容量的確定方法。

1 影響配電變壓器經(jīng)濟容量的主要因素分析

1.1 計算負荷的影響

配電變壓器的容量應(yīng)根據(jù)用電設(shè)備總計算負荷進行選擇，其計算表達式為:

式中:Se—配電變壓器的額定容量，kVA;

Pjs—全部用電設(shè)備的計算負荷，kW;

β—配電變壓器的實際負載系數(shù);

cosφ—補償后的平均功率因素;

式中:Pe—用電設(shè)備組的設(shè)備功率，kW;

Kx—需用系數(shù);

Kp—變電所的有功功率同時系數(shù);

從式(1)中可以看出，配電變壓器的容量與計算負荷的大小成正比，而計算負荷的大小除與用電設(shè)備組的功率有關(guān)外，還與負載需用系數(shù)及同時系數(shù)有關(guān)。需用系數(shù)受許多因素的影響，使用時應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝使用要求及負載性質(zhì)合理選取，使總的計算負荷盡量與實際接近。若總的計算負載偏大，會導致所選變壓器容量增大，變壓器投資增大，變壓器空載損耗增大，同時也會無謂地增大變壓器的運行費用成本。反之，若計算負荷偏小，會造成變壓器容量選擇過小，增大變壓器損耗，甚至會導致變壓器長期過載，加速絕緣老化，而縮短變壓器使用壽命。

1.2 變壓器類型及經(jīng)濟負載系數(shù)的影響

配電變壓器的類型不同，其經(jīng)濟負載系數(shù)及造價也不同，因此，按照運行費用最省的原則，所確定的變壓器經(jīng)濟容量也不會相同。配電變壓器的經(jīng)濟負載系數(shù)是保證變壓器的運行效率最高，而功率損失率最低時的負載系數(shù)，其值可按下式計算:

式中:βjz—變壓器綜合功率經(jīng)濟負載系數(shù);

Poz—變壓器綜合功率空載損耗，kW;

Pkz—變壓器綜合功率負載損耗，kW。

經(jīng)計算，不同類型的配電變壓器(容量在315～2 500 kVA范圍內(nèi))的綜合功率經(jīng)濟負載系數(shù)分別為:S11系列油浸變壓器的βjz的均值為0.37;SC(B)9系列干式變壓器的 βjz均值為0.51;SH15系列非晶合金油浸式變壓器的βjz的均值為0.23。

若按經(jīng)濟負載系數(shù)選擇變壓器容量，不同類型的變壓器會有不同的容量選擇結(jié)果。與此同時，雖然按經(jīng)濟負載系數(shù)選擇變壓器容量，可以使該變壓器的運行效率達到最高，但由于新型系列變壓器(比如SH15系列)空載損耗已大幅降低，其經(jīng)濟負載系數(shù)較小，因此若按式(2)進行容量選擇，會導致變壓器容量選擇過大、一次性投資過大的突出問題。

1.3 年最大負載損耗時間的影響

按照年電能損失率最小的原則選擇變壓器容量，可使所選變壓器容量的年運行效率達到最高。同時，與按變壓器功率損失率最小原則確定的變壓器容量相比，可降低2～3個容量等級?？墒棺儔浩髂觌娔軗p失率達到最小的節(jié)能負載系數(shù)［1］計算表達式為:

式中:βAZ—配電變壓器的節(jié)能負載系數(shù);

T—配電變壓器年投入運行小時數(shù)，h;

τ—配電變壓器年最大負載損耗小時數(shù)，h;

從式(3)中看出，配電變壓器的節(jié)能負載系數(shù)βAZ與其空載損耗、短路損耗及電力負荷的運行特點有關(guān)。其中的數(shù)值，隨企業(yè)生產(chǎn)性質(zhì)和生產(chǎn)班次的不同而不同。對于負載曲線變化較大的電力用戶，其τ值較低，βAZ值較高，按式(3)的節(jié)能負載系數(shù)βAZ選擇變壓器容量，可使所選變壓器的節(jié)能性與經(jīng)濟性達到相對的統(tǒng)一。但對于多數(shù)常年持續(xù)生產(chǎn)且負載曲線變化不大的電力用戶，由于其年最大負載損耗小時τ值較高，βAZ值較低，若按式(3)的節(jié)能負載系數(shù)選擇變壓器容量，同樣會導致變壓器容量選擇過大的問題。

1.4 現(xiàn)行電價制的影響

根據(jù)國家電價政策規(guī)定，大宗工業(yè)用電須執(zhí)行兩部制電價。其中基本電費可選擇按變壓器容量進行計費，也可選擇按最大需量進行計費。由于條件的限制，許多企業(yè)執(zhí)行的是按變壓器容量計算基本電費的計費方式。從節(jié)約年運行費用的角度，企業(yè)希望盡量增大變壓器的負載系數(shù)，以減小變壓器的安裝容量。但從節(jié)能的觀點看，配電變壓器的實際負載率不宜太大，因盡量接近變壓器的節(jié)能負載系數(shù)，以提高配電變壓器的運行效率，降低變壓器的功率損耗。因此說現(xiàn)行電價也是影響配電變壓器經(jīng)濟容量選擇的因素之一。

2 配電變壓器經(jīng)濟容量的確定方法

通過對上述影響變壓器經(jīng)濟容量的幾個主要因素的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，若要確定變壓器的經(jīng)濟容量，首先應(yīng)先確立一種能對同類型、不同容量變壓器技術(shù)經(jīng)濟指標進行綜合評價分析的方法。如果借用配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟評價的方法，綜合考慮“變壓器價格、損耗、負荷特點、電價”等經(jīng)濟技術(shù)指標對變壓器經(jīng)濟性的影響，并按照配電變壓器Se＞Sjs的容量選擇條件，在多種規(guī)格的待選變壓器中，對備選方案從節(jié)能性的角度，進行進一步的分析比較，那么，就可方便地從中篩選出技術(shù)可行、經(jīng)濟效益最佳的配電變壓器容量來。

2.1 配電變壓器能效評價方法［2］

對配電變壓器能效評價可采用綜合能效費用法，綜合能效費用法是一種通過計算分析各可行技術(shù)方案下的變壓器綜合能效費用，選擇總費用最少的方案為最佳經(jīng)濟方案的分析方法。該方法適用于同容量、不同類型變壓器之間的經(jīng)濟性評價。使用該分析方法有助于全面正確地認識高效節(jié)能變壓器的經(jīng)濟性。

2.2 配電變壓器綜合能效費用的計算公式

(1)綜合能效費用(TOCEFC)應(yīng)包括:配電變壓器的初始費用(CI)，空載損耗的等效初始費用(POEFC)，負載損耗等效初始費用(PKEFC)。其基本計算表達式為:

其中:Qo=Io%·Se×10－2Qk=Uk%·Se×10－2

式中:A—變壓器壽命期間單位空載損耗的等效初始費用，元/kW;

B—變壓器壽命期間單位負載損耗的等效初始費用，元/kW;

Po—變壓器空載有功損耗，kW;

Pk—變壓器負載有功損耗，kW;

Qo—變壓器空載無功損耗，kvar;

Qk—變壓器負載無功損耗，kvar;

Kq—無功經(jīng)濟當量，kW/kvar;一般取Kq=0.1 kW/kvar;

Io%—變壓器空載電流占額定電流的百分值，%;

Uk%—變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分值，%;

Se—變壓器額定容量，kVA。

(2)配電變電器單位空載損耗的等效初始費用A系數(shù);其等值于期初的現(xiàn)值表達式為:

式中:Kpv—貼現(xiàn)率i，使用壽命為n年的現(xiàn)值系數(shù);

Ee—單位電度電費，元/kWh;

Ec—單位容量電費，即兩部電價中按最大需量收取的基本電費，元/kWh;

T—變壓器年帶電小時數(shù)，通常為8 760 h;

(3)配電變壓器的單位負載損耗的等效初始費用B系數(shù);其等值于期初的現(xiàn)值表達式為:

式中:βo—變壓器的初始負載率;

τ—年最大負載損耗小時數(shù)，h;τ值的典型值參見文獻［1］;

2.3 配電變壓器能效綜合評價的方法和步驟

對同類型、不同容量配電變壓器能效綜合評價的方法和步驟如下:

(1)選定變壓器的類型。根據(jù)有關(guān)的設(shè)計規(guī)范和節(jié)能要求，選擇變壓器的類型。

(2)按照Se＞Sjs的容量選擇條件(Sjs為總計算負荷)，并依照變壓器的容量等級順序，選擇多種規(guī)格的變壓器作為待選方案。

(3)將有關(guān)的已知參數(shù)代入式(4)，分別計算出各規(guī)格變壓器的綜合能效費用(TOC)值。

(4)依據(jù)有關(guān)的已知參數(shù)，分別計算出各規(guī)格變壓器的綜合功率等效初始費用(PZEFC)值與變壓器壽命期間的電能損耗量(W)。

PZEFC值的計算表達式為:PZEFC=POEFC+PKEFC

W的計算表達式為:W=T(Po+KqQo)+τ·β2(Pk+KqQo).

(5)根據(jù)變壓器容量選擇的經(jīng)濟性和節(jié)能性要求，對計算結(jié)果進行進一步的分析比較，選擇TOC值(或CI值)最少和PZEFC值(或W值)最小的兩個方案，進行進一步分析比較，確定的經(jīng)濟容量即為變壓器在壽命期間可獲得最佳經(jīng)濟效益的設(shè)計容量。

3 應(yīng)用舉例

某一機械制造企業(yè)準備安裝一臺新變壓器，其計算負荷為760 kVA，按照配電變壓器的選擇條件Se＞Sjs，分別選擇S11 系列800 kVA、1 000 kVA、1 250 kVA、1 600 kVA 四種規(guī)格的變壓器作為待選方案。該企業(yè)采用二班制生產(chǎn)，現(xiàn)要求借用綜合能效費用法選擇變壓器的經(jīng)濟容量。分析評價的步驟如下:

3.1 確定待選變壓器的相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)

(1)根據(jù)四種規(guī)格的變壓器名牌，可獲得其基本技術(shù)參數(shù);

(2)根據(jù)業(yè)主的考慮，確定的經(jīng)濟參數(shù)為:變壓器使用年限20年、回報期望值8%;根據(jù)企業(yè)所在地區(qū)的電價結(jié)構(gòu)，月容量電費為37.5元/kW、電度電費為0.5元/kW;

(3)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)性質(zhì)及生產(chǎn)安排等情況，確定運行參數(shù)為:變壓器負載率分別為 0.95、0.76、0.6、0.48;年帶電小時數(shù)8 760 h、年最大負載損耗小時數(shù)1 700 h;

3.2 分析計算

根據(jù)有關(guān)計算公式，得到各待選方案的等效初始費用、綜合能效費用、壽命期間的電能損耗等，分析計算結(jié)果如表1。

表1 待選方案經(jīng)濟分析評價表

3.3 根據(jù)計算結(jié)果進行方案選擇與分析

(1)從表1中可以看出，若按TOC值或CI值最少的原則，進行配電變壓器的容量選擇，應(yīng)當選擇方案一。

(2)若按配電變壓器壽命期間綜合功率等效初始費用最少或電能損耗量最小的原則進行容量選擇，則應(yīng)當考慮選擇方案三。

(3)若在配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟綜合評價的層面上作進一步的分析，從表中還可以看出，方案三的TOC值略高于方案一。雖然兩方案的CI差值為29 000元，但兩方案TOC值之差僅為9157元。這說明方案三變壓器多投資的費用中，有近70%的費用，已由方案三本身突出的節(jié)能效果得到了補償。

(4)從變壓器壽命期間的電能損耗量計算結(jié)果看，兩方案之間的差值為29 228度。這意味著，采用方案三能為企業(yè)減少數(shù)量可觀的電能損耗量，這無論是從推進企業(yè)節(jié)能工作，還是從社會效益方面講，無疑都具有十分重要的意義。

(5)此外，在相同計算負荷的條件下，方案三的負載率為0.6，方案一的負載率為0.95。選擇方案三，可為企業(yè)今后生產(chǎn)用電發(fā)展提供40%裕量，這顯然對企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展也是十分有利的。

經(jīng)上述分析比較:我們可以給出這樣一個結(jié)論，從變壓器容量選擇的綜合效益上考慮，選擇方案三(1 250 kVA)的容量，是可使變壓器在壽命期內(nèi)獲得經(jīng)濟效益最佳的設(shè)計容量。

4 結(jié)束語

在配電變壓器容量選擇中，借用變壓器能效分析評價的方法，綜合考慮各種因素對變壓器容量選擇經(jīng)濟性的影響，同時將配電變壓器的年電能損耗作為一項重要因素予以重點考慮，并通過進一步的綜合分析比較，可使所選變壓器容量既能滿足經(jīng)濟性的要求，也能滿足企業(yè)節(jié)能工作的要求。從而可在綜合效益的層面上，使所選配電變壓器容量，較好地實現(xiàn)節(jié)能性與經(jīng)濟性的相對統(tǒng)一。

［1］丁毓山，高松.變壓器最佳容量確定和經(jīng)濟運行［M］.北京:中國水利水電出版社，1996.

［2］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院組編.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊［Z］.北京:中國電力出版社，2005.