陳大偉 李效平 趙琦 李洪亮

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 山東省濟南市 250102）

變壓器是輸配電的基礎(chǔ)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、城市社區(qū)等領(lǐng)域。我國在網(wǎng)運行的變壓器約1700 萬臺，總裝機容量約110 億千伏安。變壓器損耗約占輸配電電力損耗的40%，目前在運能效三級以下的老舊變壓器約占在網(wǎng)運行變壓器的60%，而達到先進和節(jié)能水平的變壓器合計僅占在運變壓器的5%左右，具有較大節(jié)能潛力。為加快高效節(jié)能變壓器推廣應(yīng)用，提升能源資源利用效率，推動綠色低碳和高質(zhì)量發(fā)展，2020年12月22日工業(yè)和信息化部、市場監(jiān)管總局、國家能源局聯(lián)合制定了《變壓器能效提升計劃（2021-2023年）》[1]，到2023年，高效節(jié)能變壓器符合新修訂GB 20052-2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》[2]中1 級、2 級能效標準的電力變壓器在網(wǎng)運行比例提高10%，當年新增高效節(jié)能變壓器占比達到75%以上。推動企業(yè)實施節(jié)能技術(shù)改造，加快淘汰不符合國家能效標準要求的變壓器。目前我國在2021年發(fā)布了電力行業(yè)標準DL/T 2269-2021《 配電變壓器退運與再利用評價導(dǎo)則》[3]，并結(jié)合DL/T985-2012《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟評價導(dǎo)則》[4]對電網(wǎng)中運行的配電變壓器進行有序的退運和更換，這兩份標準中均以變壓器損耗為考核的重要指標，但是一些特殊場地安裝的變壓器型號中并沒有損耗代號，如：執(zhí)行CB/T3528-2013《海洋平臺變壓器》[5]標準的變壓器其型號中并沒有損耗代號（如型號：PSCD-200、PSCB-500/10 等），或安裝在室外的配電變壓器其型號銘牌未標注損耗代號，那么如何確定在網(wǎng)運行的變壓器能效等級以便除電網(wǎng)以外的鋼鐵、石化、化工、有色、建材等重點行業(yè)相關(guān)部門開展變壓器專項監(jiān)察，按計劃退運（退投）高損耗的變壓器，鑒于此，本文對配電變壓器的繞組電阻計算出電阻損耗，以此確定配電變壓器的能效等級，對確定在網(wǎng)運行的配電變壓器的能效等級，退運高損耗變壓器有重要的指導(dǎo)作用。

1 節(jié)能型變壓器帶來的社會面與經(jīng)濟面效益

節(jié)能型變壓器的經(jīng)濟面效益：國際上有許多評價變壓器能效的方法，所有的方法都要求比較變壓器價格及其損耗費用。TOC 法在美國于1981年發(fā)展成為工業(yè)標準。按照TOC 標準購置變壓器一直沿用至今。根據(jù)DL/T985-2012《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟評價導(dǎo)則》中供電企業(yè)的配電變壓器綜合能效費用計算用下式計算：

CI—設(shè)備的初始費用，元；

A—變壓器空載損耗等級初始費用系數(shù)，元/kW；

B—變壓器負載損耗等級初始費用系數(shù)，元/kW；

PO—變壓器額定空載損耗，kW；

PK—變壓器額定負載損耗，kW；

PQ—無功經(jīng)濟當量，按變壓器在電網(wǎng)中位置取值，一般35kV 配電變壓器的取值范圍為0.02 ≤KQ≤0.05，10kV 配電變壓器的取值范圍為0.05 ≤KQ≤0.1；

I0—變壓器額定空載電流，%；

UK—變壓器額定短路阻抗，%；

Se—變壓器額定容量，kVA；

CN—因配電變壓器損耗增加的上級電網(wǎng)建設(shè)綜合投資，元

按照上式，DL/T985-2012《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟評價導(dǎo)則》的附錄C 中用TOC 法曾比較過普通配電變壓器和節(jié)能型配電變壓器的經(jīng)濟效益，比較結(jié)果說明了在同樣運行條件下，相同容量的兩臺配電變壓器，節(jié)能型配電變壓器的單價雖然比普通配電變壓器高，但損耗指標比低，因此購買節(jié)能型配電變壓器所多支付的資金可以在2 ～3年內(nèi)從節(jié)約的損耗電費中收回。如果掛網(wǎng)運行5年的綜合費用相比普通配電變壓器可節(jié)約1.6萬余元，經(jīng)濟效益明顯。

節(jié)能型變壓器社會面效益：2021年7月15日，在沈陽召開的 “變壓器能效提升推進會”上，變壓器產(chǎn)業(yè)鏈百家單位“全面提升變壓器能效 開啟節(jié)能低碳新征程”[6]的共同行業(yè)“T100 倡議”倡議鄭重承諾：力爭到2023年增加15 億千伏安高效變壓器容量，降低電能損耗約105 億千瓦時，相當于減少二氧化碳排放640 萬噸。實現(xiàn)電力設(shè)備資源充分利用，節(jié)約電網(wǎng)投資，降低社會資源消耗，具有節(jié)能減排、助力實現(xiàn)“雙碳”和保護環(huán)境的巨大效益。

2 變壓器的損耗分類

變壓器從整體結(jié)構(gòu)上來講，主要由一次繞組線圈、二次繞組線圈和鐵心組成，由于材料的選擇、鐵心結(jié)構(gòu)以及制造工藝不同，會引起各種變壓器的損耗差異，對于同一臺變壓器來講，由于使用條件不同，負載系數(shù)不同，因此有不同的損耗值。

從變壓器的損耗角度來講，變壓器的損耗包括：鐵損耗、銅損耗、電介質(zhì)損耗和雜散損耗等。其中電介質(zhì)損耗和雜散損耗等測定比較困難，而且損失數(shù)值偏小，在實際的使用中這部分損耗影響可以忽略不計。

鐵損耗通常指變壓器的空載損耗包括鐵心材料的磁滯損耗、渦流損耗以及附加損耗等幾部分。

磁滯損耗通常指鐵磁材料在反復(fù)磁化過程中由于磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的損耗。磁滯損耗的大小與磁滯回線的面積成正比。微觀地來看，磁滯損耗與硅鋼片內(nèi)部的結(jié)晶方位、結(jié)晶純度、內(nèi)部晶粒的畸變等因素都有關(guān)系。由于磁滯回線的面積又與最大磁密Bm 的平方成正比，因此磁滯損耗約和最大磁密Bm 的平方成正比。此外，磁滯損耗是由交變磁化所產(chǎn)生，所以它的大小還和交變頻率 f 有關(guān)。

渦流損耗通常指由于鐵心本身為金屬導(dǎo)體，電磁感應(yīng)現(xiàn)象所感生的電動勢將在鐵心內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，即為渦流。由于鐵心中有渦流流過，而鐵心本身又存在電阻，故引起了渦流損耗。

附加鐵損是指主要與變壓器的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝等有關(guān)。所以無論什么類型的變壓器都存在附加鐵損，只不過有大小的差別而已。

通常，引起附加損耗的原因主要有：

（1）磁通波形中有高次諧波分量，它們將引起附加渦流損耗；

（2）由于機械加工所引起的磁性能變壞所導(dǎo)致?lián)p耗增大；

（3）在鐵心接縫以及芯柱與鐵軛的 T 型區(qū)等部位所出現(xiàn)的局部損耗的增大等。

JB/T 501-2021《電力變壓器試驗導(dǎo)則》[7]中規(guī)定的空載損耗的測量方法：

3 變壓器的損耗測量方法

測量時，首先變壓器的溫度接近試驗時的環(huán)境溫度。通常由被試品的低壓側(cè)施加額定頻率的額定電壓，并應(yīng)盡可能為對稱的正弦波電壓，其余繞組開路；如果施加電壓的繞組是帶有分接的，應(yīng)使分接開關(guān)處于主分接的位置；如果被試品繞組中有開口三角形連接繞組，應(yīng)使其閉和。運行中的地電位處（分級絕緣變壓器其中性點、鐵心、夾件等）和油箱或外殼應(yīng)可靠接地。

對于三相變壓器，選擇接到試驗電源的繞組和聯(lián)結(jié)方式時，應(yīng)盡可能使三個心柱上出現(xiàn)對稱的正弦電壓。如圖1所示。

圖1：三相變壓器空載試驗接線示意圖

圖2

試驗電壓的施加應(yīng)零起升壓，在升壓過程中應(yīng)連續(xù)觀察所有測量儀表的指示狀況，尤其在測量過程中，注意剩磁對測量結(jié)果的影響，在測量儀器和試驗設(shè)備不過載的情況下，先對被試品進行110%額定電壓勵磁，降壓時盡可能降到零電壓，然后進行額定電壓勵磁，保持幾分鐘，待損耗和電流沒有下降的趨勢，進行測量記錄。勵磁電壓應(yīng)以平均值電壓表的讀數(shù)U'為準，該讀數(shù)與方均根值電壓表的讀數(shù)U 具有同一刻度。如果U'與U相差3%以內(nèi)，按照Po=Pm(1+d)公式校正，其中Po 為校正后的空載損耗，Pm為測量的空載損耗，d=(U'- U)/ U'。

如果U'與U 相差不大于3%，則此電壓的波形滿足試驗要求。如果U'與U 相差大于3%，應(yīng)確認試驗的有效性。在高于額定電壓時，可以接受超過3%的讀數(shù)差，但測量值屬于保證值的情況除外。

以上試驗條件在安裝場現(xiàn)場通過便攜式檢測設(shè)備，可以直接進行直接測量空載損耗。

4 負載損耗的測量及計算

負載損耗Pk主要由電阻損耗Pr和附加損耗PS兩部分組成，繞組中的電阻損耗Pr這是負載損耗中的主要部分，此外還有因繞組電流產(chǎn)生的漏磁場引起的附加損耗PS，電阻損耗Pr可以用計算方法算出，但是準確的附加損耗PS值只能用試驗的方法求得。對于一定結(jié)構(gòu)形式的變壓器來說，我們通過實踐了解到，PS只占Pr的一定比例：630kVA 以下小容量變壓器的PS占Pr的1 ～6%，8000kVA 以上的大容量變壓器PS占Pr的10 ～20%，甚至還要大。所以，本文僅對小容量的配電變壓器負載損耗的測量計算進行討論。

負載損耗在JB/T 501-2021《電力變壓器試驗導(dǎo)則》中規(guī)定測量負載損耗應(yīng)不小于額定電流的50%，在網(wǎng)運行的配電變壓器由于這安裝位置的特殊性，在安裝場地一般情況下沒有大容量的試驗電源，無法直接測量出負載損耗。由于在網(wǎng)運行的配電變壓器量大，不能都拉到試驗室進行檢測，由于受到環(huán)境條件的限值，為了解決上述問題，本文提出可以通過首先測量繞組的直流電阻，然后計算出電阻損耗Pr，并通過下以公式，計算出負載損耗：

Pr——電阻損耗， kW；

K——系數(shù)，%（見示例）

PK——負載損耗，kW；

可以通過首先測量繞組的直流電阻，通過便攜式直流電阻測量設(shè)備測量繞組的電阻值，通過電阻值計算出電阻損耗Pr，然后根據(jù)測量繞組的電阻值，按下式計算繞組75℃下的電阻值：

式中：

θ1——穩(wěn)定的環(huán)境溫度下的繞組溫度；

θ2——絕緣等級A 級75℃、絕緣等級F 級120℃

R1——穩(wěn)定環(huán)境溫度下的繞組電阻值；

R2——θ2℃的繞組電阻值。

根據(jù)計算出來的θ2℃下的電阻值,對于典型的雙繞組三相變壓器一對繞組的電阻損耗應(yīng)為兩繞組電阻損耗之和，計算方法見下式：

式中：

Pr——電阻損耗， kW；

Ir——額定電流， A；

Rxn——線電阻，Ω；

Rxg——相電阻，Ω。

5 算法的驗證及應(yīng)用示例

系數(shù)K 的計算示例：變壓器型號為S13-M-400/10，聯(lián)結(jié)組別為Dyn11,絕緣等級A 級，高壓側(cè)額定電流23.09A，低壓側(cè)額定電流577.35A。測量環(huán)境溫度為24.65℃，首先通過直流電阻測試儀進行直流電阻測量，所測得的結(jié)果為：變壓器在主分接位置，高壓側(cè)電阻為2.468Ω，低壓側(cè)bc 相電阻為2.965 mΩ。將所測量的電阻值計算75℃下的電阻：

得到高壓側(cè)電阻R2 為2.947Ω，低壓側(cè)bc 相電阻為3.540 mΩ，

將此電阻計算出電阻損耗：

計算出該變壓器的電阻損耗為4127.6W。

通過變壓器損耗測試儀進行損耗測量，測量結(jié)果為4358W,電阻損耗與實測負載損耗相差比值為5.29%。該值為此變壓器的系數(shù)K。

通過上述計算過程，我們將部分配電變壓器繞組電阻損耗和實測負載損耗實例的計算結(jié)果公示如表1所示。

通過以上計算實例，我們知道配電變壓器在一般情況，系數(shù)K 隨著容量越大，而增加，一般情況下630kVA 以下的配電變壓器隨著容量增加在1 ～6%之間。我們在變壓器安裝現(xiàn)場，空載損耗可以用便攜式設(shè)備直接測量，但是負載損耗由于安裝現(xiàn)場沒有大容量的試驗電源無法直接測量的情況下，通過測量直流電阻計算出電阻損耗再乘相應(yīng)的系數(shù)K，計算出負載損耗，該計算出的負載損耗和測量的空載損耗小于GB 20052-2020 標準中要求值，說明此變壓器為節(jié)能型的配電變壓器。

6 結(jié)論

本文針對目前變壓器安裝現(xiàn)場，或在網(wǎng)運行中的未有能效標識的變壓器，無法確定該變壓器是否為節(jié)能型變壓器的問題，創(chuàng)新提出了一種基于電阻損耗計算負載損耗的算法，理論依據(jù)是負載損耗中電阻損耗占比原理。與傳統(tǒng)的直接測量，其改進主要在于不依靠大容量的試驗電源，并且不挑試驗場地。實例結(jié)果表明，該算法可快速而高效地計算出變壓器的負載損耗，證明了該檢測算法的有效性和可行性。