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S13型与传统配电变压器技术经济性对比


第 32 卷第 4 期 2012 年 12 月 DIANLI YU DIANGONG

ISSN 1674- 6104 CN 35- 1296 / TM

S13 型与传统配电变压器技术经济性对比
刘至锋
( 福建省电力有限公司电力科学研究院, 福建 福州 350007 )

摘要: 从 S13 型配电变压器的节能原理、 经济性、 性能等方面, 将其与传统 S11 型配电变压器及非晶合金配电 变压器进行对比。探讨当前应用 S13 型配电变压器的合理性, 从而为生产单位提供参考。 关键词: 节能; S13 型配电变压器; 技术经济 中图分类号: TM421 文献标志码: A 文章编号: 1674- 6104 ( 2012 ) 04- 0059- 05 载损耗及空载电流大幅度下降。 S13 型立体卷铁芯配变易于生产, 理论上, 实际 生产却存在困难: 首先, 退火工艺较难掌握; 其次, 立 体铁芯设计技术掌握在少数变压器厂商手中 , 存在 技术壁垒; 再者, 立体铁芯绕线工艺较叠铁芯复杂, 需要在铁芯柱上绕制, 且绕线效率不如叠铁芯。

引言
2011 年 8 月, 国家电网公司编发了《第一批重 , S13 型及以上型号系列的配电 点推广新技术目录》 变压器( 以下简称配变) 被列入目录, 表示这些配变 将逐步成为主导产品, 替代老旧高损耗变压器。 根 《JB / T 3837 —2010 变 压 器 类 产 品 型 号 编 制 方 据 , S13 型配变与同容量 S11 型配变相比, 法》 空载损 负载损耗不变; 非晶合金变 耗下降了 20% ~ 30% , 压器空载损耗比 S11 型配变下降了 60% ~ 67% , 负 载损耗不变。 本文针对 S13 型配变和其它型号配变, 进行节 技术性能分析和经济比较, 为选用该型 能原理分析、 号配变提供参考。

1

S13 型配变节能原理
1. 2

图1

立体三角形卷铁芯配变

传统变压器铁芯采用平面结构及叠片工艺, 存 在三相磁回路不平衡、 局部磁通方向和硅钢片导磁 多处空气接缝等缺陷, 制约了变压器能 方向不一致、 效水平的提升。目前, 节能型配变主要朝改变铁芯 结构和改良传统叠片工艺方向发展 。 1. 1 S13 型立体卷铁芯配变 当前, 国内众多变压器厂商通过改变变压器铁 , 芯结构 生产 S13 型立体卷铁芯配变 ( 如图 1 ) 。 该 配变主要特点有: ① 采用 3 个相同的单框拼合成等 边三角形结构, 使三相铁芯磁路完全平衡、 磁路最 3 个单 短, 从而降低损耗; ② 改变传统的叠片方式, 框采用硅钢片连续卷绕而成, 充分利用了硅钢片的 取向性, 铁芯无接缝, 大大减少了磁阻, 降低了损耗; ③采用退火工艺, 降低工艺系数, 消除内应力, 使空

S13 叠铁芯变压器 为降低叠铁芯配变 ( 如图 2 ) 的损耗, 生产厂家 往往选购优 质 晶 粒 取 向 冷 轧 硅 钢 片 , 增加铁芯叠 片厚度及铜线用量, 或使用高价进口材料等 。 在提

图2

S13 型叠铁芯配变

- 59 -

升能耗水平的同时, 导致生产成本提高, 成为 S13 型 叠铁芯配变推广应用面临的难题 。

铁芯配变与非晶合金 SH15 型配变应用较多。 2 . 1 年损耗比较 《GB 13462 —2008 电力变压器经济运行导 根据 , S13 型 、 SH15 型 ( 非 晶 合 则》 综 合 对 比 S11 型 、 S13 型 计算各型配变的年损耗值 。 其中 , 金 ) 配变 , 分为叠铁芯与卷铁芯结构两种 。 计算采用标准如 表 1。

2

经济性比较

目前, 国内应用的节能型配变主要有 S11 型配 S13 型立体卷铁芯配变、 S13 型叠铁芯配变以及 变、 S11 型叠 采用非晶合金铁芯的 SH15 型配变。其中,
表1 配变型号 S11 S13 ( 叠铁芯) S13 ( 卷铁芯) SH15 空载及负载损耗

配电变压器采用标准 空载电流百分比及阻抗电压百分比 GB / T 6451 —2008 油浸式电力变压器技术参数和要求

B / T 3837 —2010 变压器类产品型号编制方法

GB / T 25438 —2010 三相油浸式立体卷铁芯配电变压器技术参数和要求 JB / T 10318 —2002 油浸式非晶合金铁芯配电变压器技术参数和要求

根 据《GB / T13462 —2008 电 力 变 压 器 经 济 运 行》 计算运行空载损耗 NL 和运行负载损耗 LL Q0 ≈ I0 % S n NL = P0 + K q Q0 , LL = fβ P k + K q fβ Q k , Q k ≈U k % S n 则年损耗电量 L = 8 760 × ( NL + LL) /10 000 式中 P0 — — —额定空载损耗, kW; Pk — — —额定负载损耗, kW; Sn — — —变压器额定容量, kVA; I0 % — — —变压器空载电流百分比;
表2 配变型号 S11 S13 ( 叠铁芯) S13 ( 卷铁芯) SH15 P0 / kW 0. 48 0. 34 0. 34 0. 17 P k / kW 3. 65 3. 65 3. 65 3. 65
2 2

Uk % — — —阻抗电压百分比; Q0 — — —空载无功损耗, kvar; Qk — — —额定负载漏磁功率, kvar; — —平均负载系数; β— f— — —负载波动损耗系数, 取 1. 05 ; Kq — — —无功经济当量, 取 0. 1 kW / kvar。 S13 型配变空载损耗比 S11 型降低 30% , 负载 。 315 kVA , 损耗相同 以 配变为例 各型配变的损耗 参数如表 2 , 年损耗计算结果如表 3 , 相对 S11 型配 变降低的年损耗比例如表 4 , 年损耗曲线如图 2 。

配变损耗参数 I0 ( 空载电流百分比) / % 1. 4 1. 4 0. 16 0. 5 U k ( 短路阻抗百分比) / % 4 4 4 4

2. 2

经济性比较 h 计算, 电价按 0. 65 元 / kW· 平均负载率 30% 的配变的年运行成本对比如表 5 。 经济性比较采用等年值法, 即指按照预定的投资报 酬率, 将有关投资项目在其有效使用年限内的现金流量 统一换算成每年平均的等价金额。折算现金流时, 可依 据投资项目的情况, 分别计算每年相等的现金净流量, 通 过等年值来分析、 评价投资方案。若以 A 表示等年值, 以 C1 表示某项资产的现值, 以 C2 表示每年的营运成本, 以 R 表示每年的现金流量, 以 S 表示固定资产残值, 以n

图3

配变年损耗曲线

由图 3 知, 根据标准限定值, 年损耗电量从大到 小依次为: S11 型 > S13 型 ( 叠铁芯 ) > S13 型 ( 卷铁 芯) > SH15 型。 - 60 -

表示期数, 以 i 表示利率, 则等年值可表示为 C1 S A = -[ + C2]+ R + 1 - ( 1 + i) - n ( 1 + i) n - 1 i i

为进行对比, 以下案例均按配变容量 315 kVA、 平均负载率 30% 、 设备运行年限 20 a、 利率 6% 、 变 压器期满残值 1 000 元来计算。 ( 1 ) 新建 315kVA 配变工程 假设中标厂家生 将 S13 型与 S11 型进行对比, 产的 S11 型 及 S13 型 配 变 均 按 国 标 能 耗 值 生 产。 S11 型配变售价 3. 2 万元, S13 卷铁芯配变售价 5 万 元, 计算结果如表 6 。
表3 315 kVA 配变年损耗计算结果 · h/a 万 kW 负载率 / % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 S11 型 0. 81 0. 85 0. 99 1. 21 1. 53 1. 94 2. 43 3. 02 3. 70 4. 46 5. 32 6. 27 7. 31 S13 型 ( 叠铁芯) 0. 68 0. 73 0. 86 1. 09 1. 41 1. 81 2. 31 2. 90 3. 57 4. 34 5. 20 6. 15 7. 19 表6 S13 型 ( 卷铁芯) 0. 34 0. 39 0. 52 0. 75 1. 06 1. 47 1. 97 2. 55 3. 23 4. 00 4. 86 5. 81 6. 85 SH15 型 0. 29 0. 33 0. 47 0. 69 1. 01 1. 42 1. 91 2. 50 3. 18 3. 95 4. 80 5. 75 6. 79

表4

315 kVA 配变相对 S11 型降低的年损耗比例 %

负载率 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

S13 型 ( 叠铁芯) 16. 05 14. 12 13. 13 9. 92 7. 84 6. 70 4. 94 3. 97 3. 51 2. 69 2. 26 1. 91 1. 64

S13 型 ( 卷铁芯) 58. 02 54. 12 47. 47 38. 02 30. 72 24. 23 18. 93 15. 56 12. 70 10. 31 8. 65 7. 34 6. 29

SH15 型 64. 20 61. 18 52. 53 42. 98 33. 99 26. 80 21. 40 17. 22 14. 05 11. 43 9. 77 8. 29 7. 11

注: 以上数值均取自国标及行标规定的能耗限值, 实际 配变的能耗可能更低 表5 配变负载率 30 % 年运行成本对比 元 配变型号 S11 SH15 S13 ( 叠铁芯) S13 ( 卷铁芯) 年营运成本 7 886. 16 4 506. 77 7 089. 00 4 864. 93

新建 315 kVA 配变工程 S13 型与 S11 型配变经济性比对 元

配变型号 S11 S13 ( 卷铁芯)

C1 32 000 50 000

C2 7 886. 16 4864 . 93

R 0 0

S 1 000 1 000

i /% 6 6

n/年 20 20

( 1 + i) 3. 207 3 . 207

n

A - 10 648. 88 - 9 196 . 97

S13 卷铁芯变压器的年投入较少, 由表 6 可见, S11 比 型配变更为经济。 ( 2 ) 改造 315 kVA 配变工程 用 S13 型配变替换 S11 型配变, 假设 S11 型及 S13 型配变均按国标能耗值生产, S11 型配变已使用
表7

5 年, S13 型叠铁芯配变售价 5. 9 万 残值为 2 万元, , 7 。 元 计算结果如表 由表 7 可见, 用 S13 型叠铁芯配变替换 S11 型 配变并不经济。

改造 315 kVA 配变工程 S13 型与 S11 型配变经济性比对 元

配变型号 S11 S13 ( 叠铁芯)

C1 20 000 59 000

C2 7 886. 16 7 089. 00

R 0 0

S 1 000 1 000

i /% 6 6

n/年 15 20

( 1 + i) 2. 397 3. 207

n

A - 9 902. 45 - 12 205. 71

- 61 -

3
3. 1

配变性能比较
噪音大小

变压器的噪声不仅污染环境, 危害人身健康, 而 且影响设备正常运行。 目前, 对非晶合金铁芯配变 仅由制造单位与用户协 的声级限值并无标准规定, 。 , 10 kV 商确定 根据标准 油浸式电力变压器的声 。《GB / T 25438 —2010 三相 功率级不得超过 50 dB 油浸式立体卷铁芯配电变压器技术参数和要求 》 对 立体卷铁芯配变的声级限定要求如表 8 。
表8 立体卷铁芯配变的声级限定值 声功率级 / dB 48

音水平的控制取决于研发及生产水平。 SH15 非晶 合金 配 变 的 噪 音 水 平 普 遍 较 高, 远 高 于 S13 型 及 S11 型配变。 3. 2 外形大小 S13 型 与 S11 型及 SH15 型配变外形尺寸相比, 叠铁芯或卷铁芯配变外形尺寸未见明显变化 。 变压器重量 A厂 分 别 对 3 个 厂 家 生 产 的 配 变 进 行 调 查, S11 型、 S13 型以及 SH15 型配变, B 厂立体铁芯 S11

3. 3

额定容量 / kVA 30 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1 000

S13 型配变以及 C 厂 SBH15 型配变, 型、 对比如表 9 。S13 型配变和 S11 型配变重量处于同一水平, 与 则 S13 型配变优于 SH15 型 非晶合金配变的对比, 非晶合金配变。 3 . 4 过负载能力 《GB / T 1094. 7 —2008 电力变压器 第 7 部 根据 , 变压器寿命通常 分: 油浸式电力变压器负载导则 》 以设计环境温度及额定运行条件下连续运行计算 。 当负载超过额定值和设计环境温度时, 变压器老化 加速。 变压器的过负载能力是指当其超额定电流运行 时, 允许的负荷电流与额定电流之比以及持续时间 。 尚无资料表明, 能耗水平的提高与配变的过负载能 力提升有关。 对比 S13 型卷铁芯与叠铁芯配变, 由于卷铁芯 变压器有内线圈骨架 ( 如图 4 ) , 该骨架较厚且线圈 内线圈的内层和外层在单 热量不能通过骨架散发, 位面积上的发热量相等, 但内线圈的内层只有一面 散热, 而外层两面散热, 使内线圈的温升比平均温升 高很多。叠铁芯变压器的内线圈与铁芯柱之间的纸 散热效果好, 内外层间温差较小。 因此, 即 筒较薄, , 使两种变压器的温升试验数据一致 但由于卷铁芯 变压器的最热点温升比叠积式铁芯变压器

49 50 52 54 56 58

鉴于标准仅对立体卷铁芯配变作具体要求, 通 过调查著名的变压器生产厂家, 得出结论: S13 型 叠铁 芯 配 变 噪 音 水 平 低 于 同 容 量 S11 型 配 变 和 SH15 型非晶合金配变; S13 型立体卷铁芯配变的噪 音水平未明显低于 S13 型叠铁芯配变。各厂家标称 噪音水平均满足标准要求, 但具体各型号变压器噪
表9

各型配电变压器油重 / 总重比较 kg

配变规格 / kVA 50 100 160 200 315 400 630

A 厂叠铁芯配变 S11 型 70 /350 100 /450 140 /670 155 /760 190 /1 010 250 /1 240 - S13 型 70 /310 90 /460 120 /700 160 /850 210 /1 110 250 /1 270 -

B 厂三角卷铁芯配变 S11 型 113 /423 149 /554 168 /746 197 /856 252 /1 124 303 /1 340 417 /1 939 S13 型 111 /435 148 /607 185 /797 228 /937 274 /1 269 323 /1 437 414 /2 085

非晶合金配变 A 厂 SH15 型 115 /505 195 /810 220 /1 020 225 /1 310 265 /1 750 315 /1 780 485 /2 650 C 厂 SH15 型 105 /460 175 /730 195 /920 200 /1 005 240 /1 335 285 /1 585 440 /2 400

- 62 -

构、 材质为判断依据, 应以产品验收及实验为准。

4

结论

S13 型配变的经济性优于 S11 基于以上分析, 型配变。 技术上, 相同厂商对 S13 型配变的综合性 能水平控制不弱于 S11 型配变。 因此, 选择 S13 型 还是 S11 型配变, 主要由产品价格决定。 通过等年 则每年投入越少, 即选用该 值法求出的绝对值越小, 。 型号配变更经济 SH15 型非晶合金铁芯配变较 S13 型配变更经 济, 但其存在一些明显的劣势, 如噪声大、 重量较重。 在使用中, 供电部门反映非晶合金配变的过负载能 力与承受短路的能力较差, 但研究表明, 铁芯的差别 并 非 过 负 载 能 力 与 承 受 短 路 能 力 的 决 定 因 素。 SH15 型非晶合金变压器铁芯的非晶合金带材厚度 极薄, 仅 0. 025 mm, 不到常用硅钢片 ( 2. 3 mm ) 的 1 / 10 。受制造工艺、 长途运输等影响, 在成本控制的前 提下, 过负载能力与承受短路能力的提升相比硅钢 片铁芯配变存在更大困难, 这是非晶合金铁芯配变 在一些性能方面颇受质疑的原因 。 在确保经济性的前提下, 提倡试点应用 S13 型 配变。因制造厂商良莠不齐, 应严格配变的入网检 , 、 测 确保入网变压器的温升 绝缘性能、 过负载能力、 承受短路能力等达到相关标准及供电企业的要求 。 SH15 型非晶合金配变适用于对噪声、 重量等因素不 敏感的地区, 且应在负载率较低、 空载损耗占比较大 的台区应用。既能发挥非晶合金配变空载损耗低的 优势, 也避免了因非晶合金铁芯配变长时间处于超 载运行而烧毁的情况。 参考文献
[ 1] 方丽华, 李京平, 刘建初. 新型节能配电变压器的经济 2009 : 1 性分析及选型建议[M] 广州: 南方电网技术, -3. [ 2] 毕新忠, 牛 军,周 静,等. S11 型变压器与常规变压 2010 : 3-5. 器能效对比 北京: 石油与化工节能, ( 收稿日期: 2012-07-20 )

图4

卷铁芯变压器线圈结构

高, 使其实际过负载能力比叠积式铁芯变压器弱 。 非晶合金铁芯变压器与其它传统的硅钢片铁芯 配变一样, 一般不允许长时间过负荷运行。 任何配 变的过负载运行均须符合《GB / T 1094. 7 —2008 电 力变压器 第 7 部分: 油浸式电力变压器负载导则 》 的相关规定。 配变实际过负载能力主要取决于损 耗、 绝缘材料耐热等级、 环境温度。 变压器损耗低、 发热少、 温升低, 则过负荷能力强。变压器铁芯材料 的特性并不是决定变压器过负载能力的关键因素 。 非晶合金配变的空载损耗低, 比相同负荷下的硅钢 片铁芯配变的发热少、 绝缘温升低, 理论上实际过负 载能力可能更强。 3 . 5 承受短路能力 配变承受短路的能力主要取决于耐热能力与动 稳定能力。运行中的配变在强大的短路电流产生的 电磁力作用下, 出现位移、 损伤及高温升, 导致损坏 概率增大。 配变抗短路能力与制造工艺有关 。制造厂应提 高配变的绕组垫块加工、 绕组生产、 绕组预套装、 内 , 绕组撑紧及总装的紧固等方面的工艺水平 同时应 加强产品质量检查以及验收力度 。 尚无资料表明配变承受短路的能力与铁芯材质 有关。理论上, 卷铁芯变压器身结构更对称平衡 , 立 体三角形的稳定性更好, 其抗短路能力可以更强。 实际上, 最终决定配电变压器承受短路的能力是其 生产工艺水平。因此 , 任何配变承受短路的能力不 随能耗水平的提高而提高 , 也不以铁芯结

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