一種新的電力變壓器效率評價(jià)方法

鄭黎明

（中山ABB變壓器有限公司，廣東中山 528449）

0 引言

2019年12月27日，由國務(wù)院國資委、工信部、中國電力科學(xué)研究院、中國鋼研科技集團(tuán)有限公司等多個(gè)部門聯(lián)合組成的國家節(jié)能變壓器調(diào)研組在沈陽變壓器研究院進(jìn)行了調(diào)研[1]，由此可看出，變壓器的節(jié)能減耗對經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展意義重大。變壓器節(jié)能一方面體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行上，為了能讓用戶選擇到節(jié)能型的變壓器，在招標(biāo)階段對變壓器的效率評價(jià)方法尤為重要。朱英杰[2－3]論述了電力變壓器損耗比的兩種概念及其與效率的關(guān)系，指出應(yīng)將無功損耗折算到有功損耗后再計(jì)算損耗比和節(jié)能效果更為合適；鐘月梅等[4]提出了電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行應(yīng)考慮電壓的波動(dòng)因素。目前常用的電力變壓器效率評價(jià)方法見第1節(jié)，其中存在一些不足，即未區(qū)分空載損耗及負(fù)載損耗的權(quán)重，換言之，在電力變壓器效率評價(jià)時(shí)，空載損耗和負(fù)載損耗的貢獻(xiàn)值是一樣的，但是在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)階段空載損耗及負(fù)載損耗對成本的影響是不一樣的，空載損耗相對于負(fù)載損耗對電力變壓器成本的影響更大；在運(yùn)行階段，空載損耗比負(fù)載損耗對電力變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響也更大?？蛰d損耗存在于電力變壓器通電運(yùn)行的整個(gè)階段，而負(fù)載損耗跟負(fù)載率近似成正比關(guān)系，在電力變壓器的實(shí)際運(yùn)行工況中，電力變壓器在一天中有較長時(shí)間處于空載運(yùn)行狀態(tài)，通常不會(huì)滿負(fù)荷運(yùn)行，平均負(fù)荷為50%左右[5]，因此不管是在設(shè)計(jì)階段還是在運(yùn)行階段電力變壓器空載損耗均比負(fù)載損耗更重要，在電力變壓器招標(biāo)階段引入有空、負(fù)載損耗權(quán)重的評價(jià)方法非常有必要。

IEC60076－20提出了PEI（最高效率指標(biāo)）用于評價(jià)電力變壓器的效率，本文詳細(xì)介紹了PEI，從設(shè)計(jì)成本的角度出發(fā)說明了空載損耗及負(fù)載損耗對變壓器成本的影響，比較了傳統(tǒng)的電力變壓器效率計(jì)算方法與PEI計(jì)算方法，指出了PEI的優(yōu)勢，并考慮到電力變壓器的運(yùn)行成本，最后建議采用簡化PEI作為電力變壓器招標(biāo)時(shí)效率評價(jià)的新方法。

1 電力變壓器效率的傳統(tǒng)評價(jià)方法

在國內(nèi)電力變壓器的招標(biāo)協(xié)議中規(guī)定的效率評價(jià)方法通?？紤]功率因素為1，負(fù)載率為1時(shí)，電力變壓器效率η計(jì)算如下：

式中：S 為電力變壓器的額定容量，kVA；Po為空載損耗（不考慮冷卻設(shè)備的損耗），kW；Pk為負(fù)載損耗（基于溫度75 ℃），kW。

式（1）與湯蘊(yùn)璆[6]介紹的效率計(jì)算公式略有區(qū)別，當(dāng)功率因素為1，負(fù)載率為1時(shí)，電力變壓器的效率η為：

式（1）與式（2）的區(qū)別在于對變壓器額定容量的定義不同，式（1）中額定容量定義為輸入側(cè)的容量，式（2）中額定容量定義為輸出側(cè)的容量。

2 最高效率指標(biāo)PEI

2.1 PEI推導(dǎo)過程

當(dāng)功率因素為1、負(fù)載率為1時(shí)，電力變壓器的效率[7]:

式中：L 為變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗（含冷卻設(shè)備損耗）之和。

進(jìn)一步，當(dāng)功率因素為1，負(fù)載率為k時(shí)，效率計(jì)算公式為：

式中：k為負(fù)載率。

為了得到效率的最大值，將式（4）對k進(jìn)行求導(dǎo)得：

當(dāng)效率最大時(shí)有：

式（6）化簡可得：

根據(jù)式（7）可知，當(dāng)電力變壓器的空載損耗及負(fù)載損耗確定時(shí)，電力變壓器的負(fù)載率為何值時(shí)可獲得最高效率，以50 MVA/110 kV 三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器為例，根據(jù)GB/T 6451，空載損耗為38.2 kW，負(fù)載損耗為194 kW。根據(jù)式（7）可計(jì)算出最佳負(fù)載率為44.37%，即當(dāng)電力變壓器年平均負(fù)載率為44.37%左右時(shí)，若空載損耗為38.2 kW、負(fù)載損耗為194 kW，則電力變壓器可獲得最高運(yùn)行效率，此負(fù)載率與GB/T 6451中的推薦值45%～50%相吻合。

根據(jù)以上推導(dǎo)過程可知：在空載損耗和負(fù)載損耗確定的情況下，PEI說明了電力變壓器在多大負(fù)載率時(shí)，可達(dá)到最高運(yùn)行效率。

將式（7）代入式（8）中可得：

式中：Pco為空載狀態(tài)下冷卻設(shè)備的損耗；為負(fù)載率為kPEI時(shí)冷卻設(shè)備相對于空載狀態(tài)下額外消耗的損耗，這一部分冷卻設(shè)備產(chǎn)生的損耗被歸類至空載損耗（根據(jù)IEC60076－20）。

幾點(diǎn)說明如下。

（2）用kPEI替換k得到的效率值即為PEI。

（4）對于自冷式變壓器，式（9）可簡化為：

PEI 的優(yōu)勢在于不需要指定負(fù)載率，負(fù)載率由實(shí)際應(yīng)用情況決定，變化較大。PEI是變壓器的固有參數(shù)，當(dāng)變壓器有幾級冷卻方式，對應(yīng)不同容量時(shí)，不會(huì)因?yàn)橛捎诶鋮s方式的變化而改變PEI值，因?yàn)槿萘颗c負(fù)載損耗是以一定關(guān)系同時(shí)變化的。

2.2 國標(biāo)損耗效率與PEI對比

根據(jù)式（10）可知，空載損耗比負(fù)載損耗對PEI 的影響更大，下面以1臺50 MVA/110 kV三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器為例來說明空載損耗及負(fù)載損耗對PEI 的影響，比較結(jié)果如表1 所示。該臺變壓器的基準(zhǔn)損耗根據(jù)GB/T 6451 選取，即空載損耗為38.2 kW，負(fù)載損耗為194 kW。

表1 不同損耗方案的效率及成本比較Table.1 The efficiency and cost comparison of various loss

對于表1的幾點(diǎn)說明如下。

（1）k 表示負(fù)載率，表中效率計(jì)算基于功率因素為1 的情況。

（2）材料成本僅考慮銅及硅鋼片的成本。

（3）運(yùn)行成本定義為單臺變壓器每年消耗的電費(fèi)，假定運(yùn)行工況：功率因素為1，變壓器年平均負(fù)載率為50%，電費(fèi)單價(jià)為1元/(kW·h)。

（4）材料成本與運(yùn)行成本列計(jì)算方法：材料成本（或運(yùn)行成本）/（基準(zhǔn)損耗方案的材料成本＋基準(zhǔn)損耗方案的運(yùn)行成本）。

（5）由于硅鋼片性能的不斷提升，硅鋼片的厚度越來越小、單位損耗越來越低，GB/T 6451中推薦的11型損耗水平中的空載損耗太高了，13 型損耗水平跟現(xiàn)在的硅鋼片性能更為匹配。

據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

（1）在總損耗不變的情況下，降低空載損耗、提高負(fù)載損耗可以提高變壓器的PEI，空載損耗越低，PEI越高。

（2）在總損耗不變的情況下，基于傳統(tǒng)的效率評價(jià)方法，變壓器效率不變（k＝1）。

（3）在總損耗不變的情況下，空載損耗在一定的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)成本、運(yùn)行成本均降低，在此情況下用戶可獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益（對應(yīng)優(yōu)化方案5）。

（4）在總損耗不變的情況下，空載損耗越低，變壓器的運(yùn)行成本越低。

（5）在總損耗不變的情況下，空載損耗在一定的范圍內(nèi)，選用空載損耗低、負(fù)載損耗高的方案會(huì)給用戶帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益，不管是初始采購成本，還是后期運(yùn)行成本都會(huì)降低。

以1臺50 MVA/110 kV三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器為例來對比國標(biāo)11 型損耗與IEC60076－20 中的能效標(biāo)準(zhǔn)，IEC60076－20 中的能效標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)等級，這里暫取一級能效（PEI 為99.696%）與國標(biāo)11 型損耗進(jìn)行對比。根據(jù)表1 的計(jì)算結(jié)果，11型損耗（空/負(fù)載損耗為38.2/194 kW）對應(yīng)的PEI為99.656%，不能滿足IEC60076－20的要求，但若取優(yōu)化方案5 的損耗，則對應(yīng)的PEI 為99.697%，可滿足IEC60076－20 對于一級能效的要求。

在很多出口項(xiàng)目中，招標(biāo)要求通常不會(huì)規(guī)定空、負(fù)載損耗的限值，在這里提醒各位從事變壓器設(shè)計(jì)的人員需考慮到IEC60076－20 的要求，在制定變壓器設(shè)計(jì)方案時(shí)，基于國標(biāo)11 型損耗，應(yīng)考慮降低空載損耗、提高負(fù)載損耗以滿足IEC60076－20。

3 新的效率評價(jià)方法

3.1 簡化PEI

基于上文介紹的PEI，并綜合考慮到工程應(yīng)用計(jì)算方法應(yīng)具備簡潔性，提出簡化PEI的概念，即在PEI的基礎(chǔ)上忽略冷卻設(shè)備的損耗，計(jì)算表達(dá)式見式（10）。基于簡化PEI和電力變壓器傳統(tǒng)損耗要求提出了一種新的電力變壓器效率評價(jià)方法，即規(guī)定電力變壓器的總損耗，采用簡化PEI來評價(jià)電力變壓器的效率。電力變壓器的總損耗可根據(jù)國標(biāo)11型損耗來選取。

3.2 簡化PEI優(yōu)勢

傳統(tǒng)的固定損耗計(jì)算效率的方法沒有區(qū)分空載損耗、負(fù)載損耗的權(quán)重，不能讓最終用戶的經(jīng)濟(jì)效益最大化。不同的變壓器廠家在空載損耗、負(fù)載損耗計(jì)算、制造工藝方面各有側(cè)重點(diǎn)，比如A廠家常規(guī)產(chǎn)品空載損耗低，負(fù)載損耗高；B廠家常規(guī)產(chǎn)品空載損耗高，負(fù)載損耗低。若此時(shí)A、B兩廠家同時(shí)參與競標(biāo)，假定電力變壓器招標(biāo)要求損耗為11型，因此空載損耗、負(fù)載損耗隨之確定，那么A、B兩廠家負(fù)載損耗響應(yīng)值通常是一樣的，但空載損耗響應(yīng)值可能會(huì)不一樣。如前文提及到的11 型空載損耗限值較高，A 廠家響應(yīng)的空載損耗值可能會(huì)低于B廠家，此時(shí)A廠家的成本可能略會(huì)高于B廠家，而失去中標(biāo)機(jī)會(huì)，但若考慮到運(yùn)行成本，在一段時(shí)間內(nèi)（例如5 年內(nèi)）B廠家的方案相對于A廠家的方案會(huì)使得增加的運(yùn)行成本超過節(jié)省下的初始采購成本，這樣一來用戶并沒有選擇到最經(jīng)濟(jì)的電力變壓器。若招標(biāo)時(shí)，用戶只規(guī)定總損耗和簡化PEI值，而不具體限定空載損耗及負(fù)載損耗，那么在方案設(shè)計(jì)時(shí)，A廠家就可以適當(dāng)提高負(fù)載損耗，以降低成本，保持與B廠家的成本一致或更低，若在此種情況下，用戶選擇了A 廠家，根據(jù)表1的對比結(jié)果，由于A廠家方案的空載損耗低，會(huì)降低變壓器的運(yùn)行成本，從而為用戶帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

本文采用簡化PEI 作為電力變壓器效率的評價(jià)方法，與傳統(tǒng)效率評價(jià)方法相比可以節(jié)省電力變壓器的運(yùn)行成本，為最終給用戶帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[8]為最新的電力變壓器能效限定值及能效等級標(biāo)準(zhǔn)，于2021年6月1日起實(shí)施，在新標(biāo)準(zhǔn)中極大地降低了電力變壓器空、負(fù)載損耗限值，特別是空載損耗限值，例如50 MVA/110 kV 三相雙繞組有載調(diào)壓電力變壓器的空、負(fù)載損耗限值較11 型損耗分別降低了45%、10%，這也從側(cè)面說明了在節(jié)能方面空載損耗的重要性遠(yuǎn)大于負(fù)載損耗，本文提出的新的電力變壓器效率評價(jià)方法正好與此相契合。