电网改造中更换了大量的高能耗变压器;在配电变压器容量选择中, 通常都根据规划期内的负荷选择标称容量略大于计算负荷的变压器。这样选择的变压器容量, 虽然在技术上能满足负荷的需要, 但往往并不经济。配电变压器有两个损耗:其一是空载损耗 (铁损耗) , 其值基本不随负荷变化;另一个是变动损耗 (铜损耗) , 其值随变压器负荷大小而变化。显然, 若配电变压器容量选择得较小, 铁损耗、维护费及初投资等较小, 但运行中铜损耗则较大;反之, 若变压器容量选择得较大, 则维护费、初投资及铁损耗等相应较大, 而铜损耗则较小。因此对同一计算负荷, 显然存在一个经济容量区间;而对于不同的最大负荷利用时间、功率因数等, 也有一个不同的经济容量区间, 配电变压器容量若选择在这个经济容量区间内, 可使变压器长期运行的效益最大化。本文从配电变压器经济效益分析着手, 给出了配电变压器在不同负荷及不同最大功率损耗时间下的经济容量区间及经济容量的选择方法。
配电变压器经济容量的确定方法, 首先是在满足正常负荷的情况下, 使变压器长期运行效益最大化。变压器的效益ΔF可用下式表示:
式中Sn——变压器额定容量, kAV;
S——变压器负荷, kAV;
τ——最大功率损耗时间, h;其值与最大负荷利用时间Tmax及功率因数cosφ有关;
D——变压器无功损耗在配电网输送中有功损耗折算系数, 其值一般可取0.1;
λ——变压器空载损耗电价和铜损耗电价, 元/kWh;
Cz——变压器总投资折算为年费用, 元/年;
Cw——变压器年维护费用, 元/年。
由式 (l) 可以看出, 变压器的效益与变压器容量、所带负荷、最大负荷利用时间、负荷功率因数、变压器投资及维护费等多项因素有关。若在规划期内的负荷为S, 变压器额定容量为Snl, 该容量已不能满足负荷的需要, 所需更换的变压器额定容量为Sn2 (Sn1
式中t0——变压器年运行时间, h;对配电变压器一般可取8600h。
考虑到以上各式中效益与各量间的关系, 将引起年费用增大的各量取负值, 引起年费用减小的各量取正值, 由式 (2) ~ (5) 可得出变压器的效益方程为:
式 (6) 即为变压器年效益方程式, 它反映了变压器效益与空载损耗、阻抗 (变动) 损耗及投资和维护费用间的关系。
根据式 (6) 计算出的变压器年效益, 其可能的结果有三种情况, 即ΔF>0、ΔF<0和ΔF=0。
(1) ΔF>0。表明变压器容量增大后, 由于变压器阻抗减小, 使阻抗损耗减小所节约的费用, 大于选择大容量变压器因空载损耗增大和投资增加及维护费增加所增大的费用总和, 这样选出的变压器, 长期运行显然是经济的。
(2) ΔF<0。与上述情况正好相反。
(3) ΔF=0。表明选择大容量变压器, 因阻抗损失减小所节约的费用, 正好抵偿因空载损耗增加和其他辅助费用增加所消耗的费用。
第三种情况正好说明, 在负荷S一定的情况下, 选择变压器容量时, 存在着一条年费用最小的经济分界线。在这个分界线上, 选择大容量Sn2和选择小容量Snl的变压器在年支出费用上相等。若将能满足ΔF=0时所对应的变压器负荷容量称为临界容量, 即S=Scr, 则由式 (6) 可得变压器临界容量为:
由式 (7) 可见对容量已知的变压器而言 (7) 中括号内各量均为已知。其中电价λ与地区间电价取值有关。一般地讲, 电价λ越高, 其他因素不变时, 变压器容量选择应越大。影响变压器经济容量的最主要因素是变压器所带负荷的最大负荷利用时间Tmax和负荷的功率因数cosφ, 也即是变压器的最大功率损耗时间τ。
下面以电网改造中使用最多的100~315kVA、S9系列配电变压器为例, 进行最佳经济容量区间的分析。考虑到S9系列配电变压器。
在运后10年内故障率较低, 且我国一般每10年左右开发一种新型配电变压器并投入使用, 故取维护费为1.5%;变压器年平均运行时间取8600h;平均电价取0.49元/kWh (全国两网同价后, 大多数省份均取该电价) ;则变压器投资年费用 (投资年利率按6.21%考虑) 、年维护费用见表1所示, 变压器其他相关技术数据见表2所示。
根据表1、表2中相关数据, 由式 (7) 可求出配电变压器临界容量Scr与最大功率损耗时间τ的关系式见表3所示。
对应不同最大功率损耗时间τ, 由表3中临界容量表达式Scr1~Scr5可做出一簇临界容量曲线, 见附图所示。
由附图可见, 若在规划期内的负荷S=150kVA, 负荷性质以城市生活用电为主, 取Tmax=4500h、cosφ=0.85, 对应的最功率损耗时间τ=2000h, 则对应的配电变压器额定容量选Sn=160kVA即可满足经济性和技术性要求;若最大负荷利用时间Tmax=5000h、cosφ=0.85时, 对应的最大功率损耗时间τ=3500h, 则从附图可看出, 变压器额定容量应选Sn=200kVA时才能满足经济性要求。若负荷性质以农村照明用电为主, 最大负荷利用时间较小 (Tmax=2500h) , 功率因数cosφ=0.85不变时, 对应的最大功率损耗时间τ=1500h, 从经济效益最佳的目标出发, 选择额定容量Sn=125kVA时最为经济。
由附图还可以看出, 当最大负荷利用时间Tmax较大, 功率因数较高时, 对应的最大功率损耗时间τ也较大, 此时变压器容量应按经济容量选择;相反, 若最大负荷利用时间Tmax较小, 功率因数较低时, 对应的最大功率损耗时间τ也较小, 此时变压器容量在考虑变压器的正常过负荷能力的基础上, 在满足技术原则条件下, 按经济效益最佳选择。
(1) 配电变压器选择中除应按技术原则确定配电变压器的容量外, 同时还应考虑经济因素, 即使变压器长期运行的效益最大化。
(2) 配电变压器经济容量与负荷的最大功率损耗时间有关, 如附图曲线所示。
(3) 配电变压器经济容量随最大负荷利用时间、功率因数等的不同而不同。最大负荷利用时间越大, 对应的变压器经济容量选择就越大;反之亦然。
(4) 对应最大功率损耗时间较小时的配电变压器容量选择, 首先应考虑按技术原则和在考虑了变压器过负荷能力的基础上, 按经济方法确定变压器容量。即当经济与安全矛盾较大时, 应按安全要求选择容量。
摘要：电网改造中大量使用配电变压器, 其容量的选择, 往往只注重技术原则而忽视变压器长期运行的经济性问题。本文提出配电变压器容量选择, 不仅要按技术原则, 更应注重变压器长期运行的经济效益;并对变压器效益方程及影响因素等作了推导和分析, 最后给出了配电变压器最佳经济容量的选择方法。
关键词：变压器,容量选择,效益分析
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