配电变压器能效探析
2009-08-27 14:02:34 365采购网新闻资讯中心
摘要：提高配电变压器运行能效是我国节能工作中的重要内容，但目前人们对于变压器能效的认识尚不足，相关标准也需进一步修改和补充。本章介绍了如何合理确定配电变压器损耗限值，分析了影响变压器能效的因素，提出了提高变压器能效的技术和政策措施，并简介了几种运行能效较高的新型变压器。
关键词：配电变压器;能效;LCC;标准
变压器是输变电设备中的耗能大户。据估计，我国变压器的总损耗占系统总发电量的3%-4%，这种状况使能效降低，造成巨大的电力浪费。降低变压器运行损耗、提高运行能效已是我国节能工作的当务之急。目前政府已将节能降耗情况作为一项重要指标，纳入经济社会发展的综合评价体系。针对上述情况，国家颁发了《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》(GB20052-2006)标准，推动社会节能工作，以利于“十一五”规划中的节约型社会的实现。虽然标准提出的能效限定值在GB/T6451.1基础上前进了一大步，但在内容上仍未脱离配电变压器损耗限制，无非在执行S11和SC10，淘汰S9TSC9上强行地庙宇了时间表，并无实质性的改变。
标准规定的损耗限制不能一刀切，中国这么大，也不能由一个限定值来指导生产和运行。节能并不意味着损耗最低，而是变压器工作时能将最高。况且提高配电变压器能效是一个系统划工程，涉及有色金属铜或铝、铁心矽钢片和绝缘油等主材料的资源及其在配电变压器中的消耗比例、配电变压器空载损耗和负载损耗的限值、供电方式、负载特性和运行方式等因素。
1 负载损耗限值的确定
制造变压器的主要材料铜或铝和矽钢片本身就是高能耗产品，金属铜又是较稀有物种，据说在陆地上仅有20年开采时间。金属铜或铝的紧缺和能源消耗直接影响变压器负载损耗的选取(当然其值还应取决于每度电创造的社会价值和导致的环保损失)。负载损耗的选取很关键，它将直接影响整个社会效益和人民生存环境。目前标准规定的负载损耗限值缺少依据，从标准的7型变压器降低25%-30%的负载损耗到9型，再维持不变到11型和13型，是否值得商榷。
变压器运行能效还与供电方式、运行方式和负载特性有关。随着居民生活水平的提高，意想负载特征明显，且日夜波动大，有时高达7-10倍，造成三相负荷严重不平衡，导致能效降低。因此单相供电具有较大的优越性。
变压器在实际运行中，为确保其安全可靠性，大都要实现N-1运行方式，重要区域不要满足N-2要求，即一个有N台变压器运行的配电站，应在停运一台(N-1)或2台(N-2)变压器情况下仍能保证配电站额定运行。因此，变压器正常时，实际运行负荷在(N-1)/N或(N-2)/N以下，年平均负荷更低。如有2台变压器运行的配电站，正常运行时负荷在50%以下，年平均负载率则在20%-30%。一般每年运行中的配电变压器的穿载损耗占变压器总损耗的90%-95%以上，所以降低空载损耗比降低负载损耗更有意义。由此可计算得出，配电变压器负载损耗与穿载损耗的比值(以下简称损耗比)大于N2/[k2(N-1)2](其中k是负载系数，通常为0.5-0.7),其能效最高。目前的GB/T6541和GB20052-2006规定的损耗限值尚不能满足节能要求。
工厂、商业、商住、路灯、居民、农村和泵站等均具有不同负载特征，上三班的工厂和上二班或一班的工厂的负载特征也不尽相同。为实现节能目的，标准的损耗限值应有多种选择，以适用不同负载特征。通常负载平稳的如上三班的工厂，应选用总损耗较低、损耗比较小(4-6)的配电变压器;负载日夜变化较大且较平稳的如商业、商住和路灯等的供电，可选用损耗比6-10的配电变压器;对季节性强、日夜负载变化显著、全年轻载和空载运行时间长的居民、农村及泵站的供电，应选用损耗比10以上的配电变压器。
总之，变压器的损耗限值不能一刀切，这不利于节能，应规定多种的损耗比供用户自己选择。希望在下次标准修订中予以改正。
2 影响变压器能效的因素
标准的制定和设备的选用，应遵循安全、稳定、可靠、经济、先进的原则。节能工作不仅是企业自身的经济效益问题，更是社会效益问题。因此，提高变压器运行能效并不是单纯提高产品的性能参数和降低损耗限值，而是在功能品质允许的情况下，把寿命周期成本降到最低达到价值上的最高点，追求社会效益的最大化。
2.1 技术磨损
要树立正确、科学的能耗设备管理观，把小农经济时代的“新三年、旧三年、缝缝补补又三年”的经久耐用观念转变为经济寿命周期成本观念;把设备的物质磨损转变为技术磨损观念。在整个设备经济寿命周期中，不但要考虑设备的物质磨损消耗，更主要的是按技术进步即技术磨损来合理确定设备使用周期。根据目前技术发展的速度，技术更新周期约5~10年，我国技术标准变革周期约10年，变压器的密封材料、绝缘油和外观油漆的磨损周期以及技术性能和稳定周期约10~15年，因此，配电变压器技术磨损周期选定20~30年较为合适，也即配电变压器使用经济寿命周期为20~30年。
2.2 结构
变压器的能效高低还与其结构有关。无分接结构的变压器有利于降低空载损耗和材料消耗，同时也提高了设备的可靠性，因此结构简化必将是变压器发展趋势，相关的标准应对此予以充分体现。全星形Y。yn0接线的配电变压器不使用于单相负载特性明显的供电，三相不平衡运行行会引起能效下降，这一点在标准中应予以体现，正面引导并提倡结构简单的无分接结构的D，yn11配电变压器的应用。圆形铁心截面的卷铁心结构变压器，虽有很多优点，但其材料消耗和生产过程中的能源消耗比方形铁心截面变压器大。简化铁心结构和生产工艺将有利于提高综合能效。
2.3 总拥有费用
变压器总拥有费用法(Total Owning Cost,TOC)根据变压器的售价和不同效率水平的社会价值的总拥有费用最低来决定变压器能效的方法，也是国际上通用的评估方法。由于每度电在不同地区或区域创造的社会价值不相同，因此要确定每kW的空载损耗和负载损耗的社会价值因数，这也是推动节能工作和社会进步的重要手段。
2.4 全寿命周期成本
变压器寿命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)即包括变压器选型、设计、制造、试验、营销的费用所构成的制造成本，又包括运行、维护、能耗、保险、风险、检修、报废的费用所构成的未来运行成本。由于运行成本是未来成本，而时间是有价的，因此还应考虑通货膨胀和银行贷款利息等因素。
大家习惯上比较重视设备的购置费用忽视设备的运行费用，其实变压器的运行成本不容忽视。根据计算，一台变压器检修维护费约占原值的2%，而能耗约占原值的18%(按输电成本0.43元/kW?h)计算)，另外技术反措、改造等额外费用约占变压器原值的1%~2%，总计21%~22%。再加上检修时或故障时的风险成本等，变压器在有效设计周期寿命期内的运行成本要高达制造成本的6~7倍。因此，变压器LCC管理意义重大。
一般来说，在技术经济条件不变的情况下，即附加先进技术的更新换代产品没有出现时，变压器LCC的最低点就是价值的最高点。这说明提高价值不是单纯提高产品的功能品质，而是在功能品质允许的情况下，把寿命周期成本降到最低。因此变电站的规划、变压器的选型、运行应以LCC为指南，以追求最高价值为目标，以最低的LCC，可靠地实现必要的功能品质，追求实质上的物美价廉。
3 提高变压器能效的技术措施
(1)限制干式变压器的使用。通常干式变压器的空载损耗比同级别的油浸式变压器高50%~90%，是所有变压器中能效最差的一种。更有甚者，为了防止由于干式变压器与开关设备安装于同一室而造成室内温度提高、开关误动，还安装了空调设备，能耗更大。而且干式变压器可靠性低、噪声高、价格高、报废回收利用低和环保成本高，其TOC和寿命周期成本也是最差的。但是，由于选用干式变压器的配电站占地面积较小，结构简单，无渗漏问题，工程总体造价低，因此目前有扩大使用范围的趋势。一般来说，只有在有特殊消防要求的电力负荷中心才选用干式变压器，如与高层建筑、机场、码头、车站、地下铁道等结合建造的变电站(但是事实上干式变压器的阻燃性并没有原先想象的那么理想)。因此必须限制干式变压器的使用范围及使用量，以利于社会的节能。
(2)实行寿命检修，加快技术改造。根据配电变压器的质量状况和电网可靠性，目前实现配电变压器寿命检修，条件是成熟的，经济上是许可的，尤其油浸式变压器的主要材料经处理后重复利用率几乎可达100%，况且由于技术进步，技术磨损的周期远大于变压器的老化寿命周期。因此，实行寿命检修，加快技术改造，淘汰高能耗、低能效的设备势在必行。
(3)规范市场及严格抽检制度。目前我国配电变压器制造低水平重复，质量参差不齐。由于原国家标准中允许有容差，生产的9型变压器可能只相当于7型变压器，其损耗限制根本达不到规定值。因此，规范市场尤为迫切，实行抽检制度(包括主要性能参数测试、温升试验、过励磁能力试验、噪声试验、燃烧试验、短路耐受能力试验等)将是必然趋势。然而，温升试验会影响变压器负载损耗，特别是非晶合金铁心变压器，铁心受力后会增加空载损耗，而这两个试验均对铁心造成冲击，若变压器制造工艺不当，试验后空载损耗有时会增加10%以上。但是对此目前并无相关标准。
(4)经济运行。从运行角度来看，提高变压器运行能效也有很多措施，如确定合理的供电方式和运行方式;减少供电半径，限制低压运行;推广应用调容变压器及D，yn11接线组别三相配电变压器或单相配电变压器;采用无功补偿提高功率因数;高负荷时适当提高运行电压，低负荷时适当降低运行电压等。相同的设备，如果能择优选取变压器经济运行方式，采取负荷优化分配、变压器运行位置的优化组合，以及改善运行环境等技术措施，从而最大限度地降低便一起的电能损耗，也能提高变压器运行能效。
4 提高变压器能效的政策措施
4.1 政府支持
我国变压器的发展经历了不同阶段。20世纪80年代中期，我国政府强制性地采用S7系列低损耗配电变压器，在我国范围内淘汰正在电网运行的JB1300-73和JB500-64标准的高能耗变压器。从1998年开始，我国政府在我国推行城乡电网改造，用S9系列配电变压器取代S7系列。经过先后两次全国大规模的更新换代，新产品比老产品降低空载损耗约8%~15%，降低负载损耗25%~30%。目前我国配电变压器S7型产品已经被市场淘汰，S9型产品成为市场主流，而S11节能型产品的市场规模正在增长，S13也正在萌芽起步。
节能产品投入初期，往往需额外多投入多投入资金，但日后的运行成本会大幅度降低，给企业未来创造较高的经济效益，同时提高了整个社会的经济效益。但是，由于目前建设和运行部门关于TOC和LCC的观念还没有树立起来，在工程交付使用后，存有一个严重的认识误区，就是认为只要当时变压器可运行且无严重缺陷就行了，没有意识到良好运行品质是企业的最高工作目标。这些问题带来的不良结果是增加运行成本。因此，节能产品的推广，须首先得到运行部门的认可。
要推广节能产品，更重要的是得到政府部门的支持。目前国家已经或即将出台一系列“节能新政策”，以约束性指标和优惠性政策为抓手，力图掀起全社会的一场“节能风暴”但目前关于如何选用节能型电力设备尚无具体措施。
4.2 制定优惠政策
节能产品的制造成本往往较高，在建设和运行部门的TOC和LCC观念还没有树立之前，在制造厂努力提高产品技术水平制造成本的同时，政府应给予积极的优惠政策，使产品的售价和运行费用进一步降低，扩大使用范围，尽早被社会接受，尽量发挥效益。外国许多政府对节能项目采取了鼓励科研、资金补贴、减少税收、低息贷款等优惠政策，以引导节能和保护环境，我国政府也应研究和制定新的优惠政策。
4.3 完善节能法规体系
应尽快完善节能法规体系及相应配套的规范、标准、技术规范和政策等，以及地方、行业的节能法配套法规，使政府和用能单位的节能工作能逐步纳入法制化、制度化的轨道，做到有法可依、执法必严，依法保障和促进节能工作深入发展。
4.4 确定难燃油津式变压器的消防等级
作为消防对象，变压器可分为易燃、难燃和阻燃型。通常将矿物油津式变压器定位易燃物，使用有严格的消防要求;干式变压器或SF6绝缘变压器则定为阻燃物，无消防要求，但有燃烧、有害气体泄漏、可靠性差、能耗高、寿命周期后处理难等问题。国内未将难燃油浸式变压器认可为难燃物，但国际已普遍认可该类变压器。难燃油变压器除具有一般油浸式变压器的优点外，其消防性能大为改善。消防部门应尽快确定难燃油浸式变压器的消防等级，明确消防设计规范，多给用户一个有利于节能的选择。
5 新产品开发与应用
(1)耐高温绝缘的油浸或液浸式变压器。耐温等级在A级以上的油浸式或液浸式变压器，可通过减少散热面积或增大负载损耗适当提高线圈温升，减少线圈、器身、外形尺寸，减少铜材或铝材、硅钢片等材料的用量。由于硅钢片的用量减少，空载损耗会相应降低，负载损耗略大一些。同时难燃油的粘度大，所以噪声通常比同容量矿物油浸式变压器要低。可见，耐高温绝缘的油浸或油浸式变压器要低。可见，耐高温绝缘的油浸或液浸式变压器具有能效高、噪声低、重量轻和防火性能比普通油浸式变压器更为优良的特点。
(2)新结构的铝变压器。近段时间铜价飞涨，变压器制造行业面临着巨大的行业危机，铝变压器的优势在这次行业危机中逐步呈现出来。铝变压器具有矽钢片用量少、空载损耗低、负载损耗略大、能效高、整体重量轻、价格便宜等特点。对干式变压器来说，有一铝的膨胀系数比铜大，与包封层树脂的膨胀系数相差较小，更有助于防止树脂封层的开裂。而对油浸式变压器来说，由于铝的抗机械强度比铜要差得多，用常规工艺难以保证其应有的抗短路能力水平，可用特殊工艺来保证，如无套装间隙的铁心柱绕线工艺和低压绕组有内支撑的绕线工艺等，具有较大的市场前景。
(3)方形线圈变压器。方形或椭圆形线圈，由于铁心柱的间距(MO)小，因而用料可以减少，损耗低，能效高。对于铁心断面积为方形或长方形的铁心，磁力线易集中于4个直角尖端，导致磁力线分布不均匀，该处最容易发生磁饱和现象，因此损耗系数较大，采用二级可能更好。今后S13型变压器可能多为这种结构。
(4)单相变压器。采用单相变压器供电线路损耗小，运行经济，但用料用工较三相多。结构合理的单相变压器，具有生产制造自动化程度高、批量化、流水线作业、劳动成本低等特点。单行变压器采用方形结构，填充率高，结构紧凑，布置合理，是一种性价比较高的节能产品。特别是从单相供电方式可以任意组合电源的应用角度来看，具有很大的发展潜能。
(5)调容变压器。调容变压器具有大小两个或多个容量段，并可根据负荷大小进行调整，是针对季节性或阶段性负荷变化大的供电，为进一步减少用电低谷时期变压器空载损耗而设计的节能产品。特别是从单相供电方式可以任意组合电源的应用角度来看，具有很大的发展潜能。
(5)调容变压器。调容变压器具有大小两个或多个容量段，并可根据负荷大小进行调整，是针对季节性或阶段性负荷变化大的供电，为进一步减少用电低谷时期变压器空载损耗而设计的节能产品。其基本设计原理是利用绕组的串并联或改变接线组别方式，改变绕组的每匝电压(et)值，从而改变额定电压下的铁心磁通密度，最终改变空载损耗，当大容量调为小容量时，绕组匝数增加，绕组的et值变小，铁心磁通密度大幅度降低，矽钢片单位损耗变小，空载损耗和空载电流相应降低，从而达到了降损节能的目的，反之亦然。这种变压器适合在季节性或阶段性负荷变化大，或负荷变化较大并可间断供电的地方使用，若今后可实现有载调容，则使用场所更大，效益更客观。
6 结语
总之，提高配电变压器能效是一个系统工程，涉及到有色金属铜或铝、铁心矽钢片和绝缘油等资源及其在配电变压器中的消耗比例，配电变压器结构、空载损耗和负载损耗的限制，供电方式、负载特性和运行方式等因素，需系统地研究。选用合适的产品结构和技术性能参数，采用合适供电方式和运行方式，可最大限度地提高配电变压器运行能效。同时政府部门应出台相关政策，鼓励企业节能产品的开发和应用。
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