非晶合金配电变压器的应用及其节能分析 2008-9

非晶合金配电变压器的应用及其节能分析

王金丽，盛万兴，向驰

（中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192）

Application and Energy-Saving Analysis of Distribution Transformer with Amorphous Core

WANG Jin-li，SHENG Wan-xing，XIANG Chi

（China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China）

ABSTRACT: In this paper, the present operation situation of distribution transformers in rural power network and the factors hindering the popularization and application of amorphous alloy distribution transformers are analyzed. The performance and features of amorphous material, the level of production technology and application situation of amorphous alloy distribution transformers home and abroad are presented. In the aspects of annual operating cost, investment payback period, relation between efficiency and load factor as well as total owning cost (TOC), the theoretical calculation and analysis of energy-saving effect of amorphous alloy distribution transformer are conducted; to directly reflect the optimal load rate and comprehensive economy of amorphous alloy distribution transformer, the graphic charts are used to provide basis for reasonable selection of amorphous alloy distribution transformers. Several problems to be paid attention to during the ordering and adoption of amorphous alloy distribution transformers are put forward and the suggestions related to the selection of capacity and installation locale of amorphous alloy distribution transformers are given.

KEY WORDS: amorphous core；distribution transformer；annual operation cost；load factor；investment payback period；total owning cost (TOC)

摘要：分析了我国农网配电变压器运行现状以及阻碍非晶合

金配电变压器推广应用的因素，介绍了非晶合金材料的性能

特点及国内外非晶合金配电变压器的生产技术水平和应用

状况。从年运行费用、投资回收期限、效率与负载系数的关系、总拥有费用等方面对非晶合金配电变压器的节能效果进

行了理论计算与分析，利用图表的形式直接反映出非晶合金

配电变压器的最佳运行负载率及较好的综合经济性，为用户

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAJ04B06)；国家电网公司科技项目(SGKJ[2007]82，B11-07-008)。

National Key Project of Scientific and Technical Supporting Programme Funded by Ministry of Science & Technology of China (2006BAJ04B06)．合理选用非晶合金配电变压器提供了依据。提出用户订购及采用非晶合金配电变压器时应注意的几点问题，针对变压器容量及安装地点的选择给出了相关建议。

关键词：非晶合金铁心；配电变压器；年运行费用；负载系数；投资回收期限；总拥有费用

0 引言

目前我国正在大力推进建设节约型社会，坚持建设与节约并重、提高资源利用效率也是电力产业的重要内容[1]。随着我国经济的快速发展，基础建设迅速扩张，配电变压器作为输配电系统的重要设备，其需求量呈较大、较快的增长趋势。我国农村电网负荷呈较强的季节性，配电变压器轻载或空载运行时间较长，其空载损耗成为电能损耗的主要部分。配电变压器使用量大、应用范围广、运行时间长，因此具有很大的节能潜力[2-3]。

凭借铁心材料的特殊性能，非晶合金配电变压器的空载损耗比传统的硅钢铁心变压器显著降低，仅为新S9型变压器的1/4左右，是颇具应用潜力的电力节能设备。由于目前国内非晶合金配电变压器制造商的生产工艺参差不齐，产品性能差异较大，并且缺乏对其节能效果的合理评价和宣传，用户基本持观望态度。另外，非晶合金配电变压器价格高于传统配电变压器，在很大程度上影响了该类产品的推广应用[4-5]。

科学合理地选用基于新技术、新材料、新工艺的节能型配电变压器已成为配电网节能降损的有效途径。非晶合金配电变压器显著的节能特性得到了部分用户的认可，也引起了国内外学者的广泛关注。文献[6-11]对非晶合金材料的性能和非晶合金配电变压器的结构、分类以及制造工艺进行了研究，但未系统分析其综合经济性。本文将结合非晶26 王金丽等：非晶合金配电变压器的应用及其节能分析V ol. 32 No.18

合金变压器技术发展水平和应用现状，从年运行费用、效率与负载系数的关系以及总拥有费用的角度进行理论计算和分析，并联系实际提出使用非晶合金配电变压器时应注意的问题。

1 非晶合金配电变压器国内外应用现状

非晶合金与常规的硅钢材料相比有突出的磁特性(低损耗)，是一种极理想的变压器铁心材料。非晶态合金箔带的厚度仅为硅钢片材料的1/10左右，十分便于制造卷铁心变压器，绕制的铁心直径越小，铁心的损耗就越小[4,9]。

20世纪80年代初期，美国电力研究所、纽约州电能源研究公司和通用电气公司开始开发非晶合金配电变压器。相关资料表明，1998年美国已有100多万台的非晶合金配电变压器挂网运行。2007年10月美国能源部颁布了《商业设备节能规划：配电变压器节能标准》，对非晶合金配电变压器节能高效情况及以何种方式(生产或从国外进口)采用非晶配电变压器进行了详尽的讨论与阐述，将其列为节能高效的电力设备，要求在国内加强应用[12-13]。日本发展非晶合金变压器的速度也较快，已有近35万台非晶配变在安全运行，并已运行目前世界上最大的5MV A非晶合金配电变压器。菲律宾、孟加拉以及一些欧洲国家和地区都有非晶合金变压器制造厂。据统计，目前全球约有200多万台非晶合金变压器在挂网运行[9,14]。

我国于“七五”期间开始非晶合金材料电力变压器的研制工作。1986年6月，上海钢铁研究所与上海变压器厂利用美国联信公司提供的非晶合金材料成功研制了一台30kV A三相非晶合金变压器，其空载损耗仅为同容量S9硅钢片变压器的20.7%，并于1987年12月在上海宝山挂网运行。1991—1995年，上海冶金设备总厂采用钢研总院生产的铁基非晶带材试制出多台20kV A、30kV A、50kV A、100kV A三相卷绕式配电变压器，分别提供给河北涿洲电力局和天水农机公司进行挂网运行试验。对运行测试数据和参数的分析结果表明其节能效果显著，运行稳定可靠。目前我国电力系统中有2万多台非晶配电变压器在挂网运行[9,14]。

2 非晶合金变压器综合经济性分析

2.1 概述

国内外有许多评价变压器能效的方法，一般都要求比较变压器价格及其损耗费用。常用的分析方法有：年运行费用比较法、投资回收期限法、变压器效率与负载系数的关系分析法、总拥有费用(total owning cost，TOC)法等[14-15]。本文以SH15型非晶合金三相油浸式变压器及S7、S9、S11型常规铁心材料三相油浸式变压器标准技术参数为基础进行比较分析。

根据10kV各型号配电变压器标准技术参数的规定，几类变压器空载损耗值见图1。可以看出SH15型变压器理论空载损耗低于S7、S9和S11型变压器，具体的性价比需要综合考虑各主要相关因素，如产品差价、实际运行中的损耗降低幅度等。不同负载率配电变压器的节能效果可能有很大差别，只有根据配电台区的实际负荷情况进行实测、跟踪计算和分析才能准确判定投资回收效益如何，从而对是否适合安装非晶合金变压器以及该类型变压器的适用范围(负荷性质、负载率等)做出判断。

800

600

400

200

变压器容量/kV A

空

载

损

耗/

W

图1几种典型配电变压器的空载损耗比较Fig. 1 No-load loss comparison of several typical

distribution transformers

2.2 变压器年运行费用比较

配电变压器的年运行费用表示为

y00

0.5[8600(0.05/100)

N

C P I S

=++

k k N

2200(0.05/100)]

P U S

+(1) 式中：P0为空载损耗，kW；P k为负载损耗，kW；S N为额定容量，kV A；U k为短路阻抗百分数；I0为空载电流百分数；0.5为电价，元/kWh；8600、2200分别为变压器全年空载、等效满载(负载系数0.5)小时数。根据式(1)及相关的性能指标分别对SH15、S7、S9、S11型配电变压器的年运行成本进行计算，结果见表1。由表1可以得出：SH15型非晶合金变压器年运行成本比S7型变压器平均降低44.37%，比S9型变压器平均降低30.77%，比S11型变压器平均降低22.58%。

2.3 投资回收期限法

配电变压器的综合损耗可以表示为

22

0k0k

()

P P P C Q Q

ββ

=+++(2) 式中：β为变压器平均负载率；P0为空载有功损耗，kW；P k为额定负载有功损耗，kW；Q0为空载无功

第32卷 第18期 电 网 技 术 27

表1 几种典型配电变压器的年运行费用比较 Tab. 1 Annual operation cost comparison of several

typical distribution transformers

不同容量变压器的年运行费用/元

型号

30 kVA 50 kVA 80 kVA 100 kVA

S7 1 771.6 2 471.5 3 5.8 4 290.5 S9 1 420.45 2013 2 935.6 3461 S11 1 272.1 1841 2583 3 095.5 SH15 977.55 1 391.65 1 998.2 2 407.5 不同容量变压器的年运行费用/元

型号 160 kVA 200 kVA 250 kVA 315 kVA S7 6 187.5 7405 8777 10 595.5 S9 4 973.6 5923 6958 8 333.98 S11 4 423.2 5235 6 216.25 7 516.98 SH15

3 442.8

4117

4 883.25

5 777.63

损耗，kvar ；Q k 为额定负载无功损耗，kvar ；C 为

无功经济当量，kW/kvar ，此处取0.1。

非晶合金变压器综合损耗与负载率的关系见图2。可以看出非晶合金配电变压器在不同负载系数下的综合损耗随变压器容量增大其抛物线形状愈加明显，负载系数在0.2~0.7时效率较高。随着变压器容量的增大，其节能效率也逐步提高。因此在工程选型时非晶合金配电变压器的容量宜大些。

负载系数

综合损耗/k W

图2 不同容量非晶合金配电变压器在 不同负载系数条件下的综合损耗

Fig. 2 The synthetic losses of amorphous core

distribution transformer under different

load factor and different capacity

在实际工程中应用非晶合金配电变压器时，除考虑其节能技术指标外，变压器投资也是需要考虑的重要因素。非晶合金变压器投资价差回收期限是一个重要的经济技术指标，它直接反映非晶合金变压器应用的可行性。由于投资的动态回收期法考虑资金的时间价值，不确定因素太多，一般采用静态投资回收期法进行估算[6]。

非晶合金变压器相对于S9、S11型变压器的多投资静态回收期限计算公式为

SH15S9S9SH15=()/[()0.58760]Y A A P P −Δ−Δ⋅⋅ (3)

SH15S11S11SH15=()/[()0.58760]Y A A P P −Δ−Δ⋅⋅ (4)

式中：Y 为非晶合金变压器多投资静态回收期，年；A S9、A S11、A SH15分别为S9、S11、SH15型变压器的购置费，元；ΔP S9、ΔP S11、ΔP SH15分别为S9、S11、

SH15型变压器的损耗，kW ；8760为变压器年运行小时数；0.5为电价，元/kWh 。

相同容量SH15与S9、 S11型配电变压器(各类变压器以调研参考价格为依据计算)相比的多投资静态回收年限计算结果见表2。可以看出：变压器容量较小时，非晶合金变压器与S9、S11型变压器相比多投资静态回收年限较长；变压器容量较大时，使用非晶合金变压器性价比较好；但由于生产非晶合金铁心工艺要求较高，变压器容量过大时，生产成本增长较大，投资回收年限也会相应增加。

表2 几种典型配电变压器静态投资回收期比较

Tab. 2 Static state investment payback period comparison

of several typical distribution transformers

不同容量变压器的多投资静态回收年限/a 比较项目 30 kVA 50 kVA 80 kVA 100 kVA SH15与S9相比16.65 13.28 3.16 5.72 SH15与S11相比

12.04 3.01 1.67 6.81 不同容量变压器的多投资静态回收年限/a 比较项目 160 kVA 200 kVA 250 kVA 315 kVA SH15与S9相比 2.72 1.01 2.07 2.09

SH15与S11相比

1.85

−1.95 0.48 0.87

2.4 非晶合金配电变压器的效率、负载系数与损耗比的关系

农用配电变压器数量占我国配电变压器总量的70%左右，达350多万台。农用配电变压器负载率一般很低：华东地区农村配电变压器负载率均低于20%；安徽地区为13%左右；东北地区(如沈阳、长春)在10%左右；西北地区部分配电变压器平均负载率甚至低至5%左右。

变压器运行性能参数主要包括固定存在的空载损耗P 0和在满载运行状态下的负载损耗P k 。实际运行中的负载损耗为β 2P k (β为负载系数，β=S /S N ，其中S 为视在功率)。事实证明，要节能必须高效，一台低损耗的变压器并不是在任何负载水平下都

是高效的。变压器效率η是输出有功功率与输入有功功率之比，即

N 2N 0k cos 100%cos S S P P βθ

ηβθβ=×++ (5)

式中cos θ为变压器的功率因数。当d /d 0ηβ=时，变压器达到最高效率，由式(5)可以计算出变压器的最佳负载系数为

max β= (6)

假设功率因数为0.85，则根据式(5)(6)计算的非晶合金配电变压器最大效率、最佳负载系数及不同负载系数下的变压器效率见表3。可以看出当非晶

28 王金丽等：非晶合金配电变压器的应用及其节能分析 V ol. 32 No.18

表3 非晶合金配电变压器的最佳负载系数及最大效率 Tab. 3 The most efficiency and the best load factor of

amorphous core distribution transformer

额定容量/kVA P 0/W P k /W βmax ηmax

30 33 600 0.23 0.9 50 43 870 0.22 0.991

80 60 1 250 0.22 0.992

100 75 1 500 0.22 0.992 125 85 1 800 0.22 0.993

160 100 2 200 0.21 0.993

200 120 2 600 0.21 0.993 250 140 3 050 0.21 0.994

315 170 3 650 0.22 0.994

400 200 4 300 0.22 0.995 500 240 5 150 0.22 0.995

630 320 6 200 0.23 0.995

合金变压器负载系数在21%~23%区间时效率最高，

除容量为30 kV A 的变压器效率为0.9外，

其余容量变压器的效率均在0.99以上，

较适宜在低负载区域运行与使用，节能降损效果显著。

图3为不同容量非晶合金变压器在不同负载系数下的效率比较。可以看出：同一负载系数下，随着容量的上升变压器效率基本呈上升趋势；同一容量变压器在最佳负载系数运行时效率最高；负载系数大于最佳负载系数时，变压器效率随负载系数的增大呈下降趋势。因此，非晶合金变压器宜选用较大容量且安装使用于负载系数偏低(20%~30%)的配电台区或用户，理论上此时可达到节能高效的经济运行状态。

变压器容量/kV A

变压器效率

图3 非晶合金配电变压器在不同负载系数下的效率 Fig. 3 The efficiency comparison of amorphous core distribution transformer under different load factor

2.5 总拥有费用法

TOC 法综合了变压器初始费用和等价现值的损耗费用，表达了所购变压器的综合费用。该方法通过比较具有不同效率和价格的变压器的总拥有费用，按照总拥有费用最低来选择变压器的效率水平。目前配电变压器的总拥有费用有2种计算方式：

1）国际上的TOC 计算方法。公式为

TOC INI N L C C AL BL =++ (7) 式中：L N 为变压器额定空载损耗或铁损，kW ；L L 为变压器额定负载损耗或铜损，kW ；A 为变压器寿命期间每kW 空载损耗的资本费用，元/kW ；B 为变

压器寿命期间每kW 负载损耗的资本费用，元/kW ；C INI 为变压器初始费用，元，方案对比时可只用其设备价格。 2）变压器的经济评价导则TOC 简化计算法。公式为 Z INI 0k C C AP BP =++ (8)

几种典型配电变压器的总拥有费用比较见图4。可以看出：变压器容量较小(如30 kV A 、50 kV A)时相同容量非晶合金变压器总拥有费用略高于S9型变压器；随着容量的增加(≥80 kV A)，非晶合金变压器总拥有费用与同容量S9、S11型变压器相比越

来越低。因此非晶合金配电变压器目前的性价比不

太适于过小容量配电台区应用。配电变压器达到一定容量后(≥80 kV A)，非晶合金变压器总拥有费用低于S11、S9型变压器，S11型变压器总拥有费用低于S9型变压器。根据计算结果可初步断定：在配电变压器建设改造中，当安装容量≥80kV A 时可选用非晶合金配电变压器。

(a) 简化计算法的结果

总拥有费用/万元

变压器容量/kV A 20 10 0

30 80 160215315

变压器容量/kV A

(b) 国际计算法的结果总拥有费用/万元

S9S11

SH15

图4 几种典型配电变压器总拥有费用比较

Fig. 4 Total owning cost comparison of several typical

distribution transformers

3 非晶合金变压器使用中应注意的问题

3.1 避免长期过电压运行

过电压会造成铁心过激磁和饱和现象，变压器铁心中产生过激磁会造成以下影响：1）空载损耗增加；2）变压器噪声水平增加；3）空载电流中高次谐波含量增加；4）涌流大于空载电流，引起较大的机械力；5）过激磁时杂散磁通离开主磁路将引起结构件中的附加损耗；6）铁心的温升增加；7）过激磁的同时还有过电压，绝缘结构应能承受住这一过电压。

因此应详细了解配电台区电网运行情况，根据历史数据及现行数据估测该台区过电压运行情况，在订购非晶合金配电变压器时提供给变压器厂家，特殊情况可进行特殊设计，以满足现场运行要求。 3.2 订购时提供运行环境情况

针对比较特殊的地区，如我国青海、等高原地区，东北等气候寒冷、环境温度较低地区，或南方常年多雷、多雨地区等，厂家可根据特殊运行

环境和要求对非晶合金配电变压器进行特殊设计，以确保其在特定环境条件下可靠稳定运行。

3.3 容量及安装地点选择

选择非晶合金配电变压器安装容量应以供电台区的计算负荷为基础，综合考虑变压器负载率、负荷特性、负荷增长趋势以及经济运行范围等因素，避免频繁更换变压器，造成不必要的投资浪费。另外，非晶合金变压器因其铁心材料的特殊性，噪声水平一般高于同容量的S9和S11型配电变压器，安装地点不宜过于靠近居民小区和用户。

3.4 更换使用时的注意事项

目前非晶合金变压器的联结方式基本为Dyn11(特殊要求除外)，但电网中和各制造厂仍以传统的Yyn0联结方式变压器为主。传统联结方式变压器更换为Dyn11联结方式的非晶合金变压器时，其低压电网的保护方式和整定值需要相应改变。另外Dyn11与Yyn0不同联结组的配电变压器二次电压存在相位差，不允许并联运行，对采用低压双电源供电的用户，应检查确定两个低压电源之间是否存在相位差，避免并联后造成环流等异常情况。

4 结论

本文介绍了国内外对非晶合金配电变压器的应用情况，通过对几种典型变压器年运行费用、多投资静态回收期、变压器效率与负载系数的关系、总拥有费用等进行理论计算与分析，利用图表形式直接反映出非晶合金配电变压器最佳运行负载率及较好的综合经济性，为用户采购、运行和管理非晶合金配电变压器提出了参考意见，有助于推进非晶合金变压器在我国的应用。

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收稿日期：2008-02-03。

作者简介：

王金丽(1972—)，女，硕士，高级工程师，从

事电力系统节能技术、电网经济运行及电能质量等

方面的研究工作，E-mail：jlw306@163.com；

盛万兴(1965—)，男，博士后，教授级高工，

从事电力系统自动化、计算机控制、人工智能方面

的研究工作；

王金丽

向驰(1974—)，男，高级工程师，从事农村电网相关技术的研究以及相关配套产品的研发工作。

（编辑李兰欣）