几种新型节能配电变压器的结构性能及应用分析.pdf

店 它 景 主 持 人： 党 毅 交流与探讨 GUANG XIDI AN YE 几种新型节能配电变压器的结构性能及应用分析 朱 晔 ( 广西正远电力工程建设监理有限责任公司桂林监理部， 广西桂林市5 4 1 0 0 2) 摘要】 本文从降损节能的角度出发， 对几种 目前我国采用的新型节能配电变压器性能、 经济指标进行 了分析 ， 介绍了油 浸式S 1 1系列 R型卷铁心配电变压器的结构技术特点， 分析了该类型变压器的降损节能效果。 关键词】 配 电变压器 ； 性能 ； 分析 1 引言 变压器在电力系统中是一种应用广泛的电气设备，一般 来说 ，从发电、供电一直到用 电，需要经过 3 5次变压过 程，变压器要产生有功功率损耗和无功功率消耗。我国配电 变压器通常 是指 电压 为 3 5 k V和 1 0 k V及 以下 、容量 为 6 3 0 0 k V A以下直接向终端用户供电的电力变压器。目前全国 网上运行的配电变压器总电能损耗为 4 1 1 聊 h ，约占 2 0 0 0 年我国总发电量的 3 1 6 。尽管配电变压器已是高效率的设 备 ( 9 5 - 9 9 ) ，但由于其数量巨大和空载耗电的固定性 ， 变压器效率即便有微小的改进也能获得相当大的能源节约和 减少温室气体的排放，因此其本身存在着巨大的节能潜力。 2 概述 根据调查统计 ( 2 0 0 0年数据 ) ，我国在用变压器总容量 为 2 7 亿 5千万 k V A。在网上运行的3 5 k V和 1 0 k V配电变压 器 总容量 为 1 4亿零 3百万 k V A，其 中役龄超过 2 0年 的 6 4 和 7 3 系列高损耗变压器的总容量为 2亿 3千 8百 万 k V A( 参见表 1 ) 。这些变压器大多为油浸式结构，特别是 一 些厂矿企业自用的变压器参数老化，缺陷多，损耗高，运 行可靠性差 ，维护工作量大，使用成本高。这些变压器是按 照六、七十年代标准设计的产品，损耗非常高，如果花一定 的投资用 s 9及以上系列的变压器去替换老旧变压器 ，必定 会获得巨大经济效益。依不同容量计算 ，购置 s 9及以上系 列变压器去替换老旧变压器的投资 回收年一般只需 2 - 3年 ( 未计旧变压器回收费和拆装费条件 ) ，其节能潜力巨大。 表 1 中国在用电力变压器数量 ( 2 0 0 0年 ) ( k V A) 项 目 总计 5 0 0 k V 3 3 0 k V 2 2 0 k V 1 1 0 k V 6 6 k V 3 5 k V 1 0 k V 总计 2 7 5 o 0 0 1 4 8 0 0 2 6 0 0 5 0 0 0 0 6 2 0 0 0 5 3 0 0 3 7 0 0 0 1 0 3 3 0 0 役 龄 1 - 1 0年 1 5 7 1 0 0 1 1 4 0 0 1 7 0 0 3 0 7 0 0 3 8 0 0 0 2 3 0 0 1 8 0 0 0 5 5 0 0 0 役龄 1 1 - 2 0年 8 0 9 0 0 3 4 0 0 7 1 O 1 3 7 0 0 1 8 0 0 0 1 6 0 0 】 2 5 o 0 3 0 9 9 0 役龄 2 O年以上 3 7 0 0 0 1 9 0 5 6 0 0 6 O 0 0 1 4 0 0 6 5 0 0 1 7 3 1 O 3 配电变压 器的发展 我国在 2 O世纪 8 O年代中期， 设计开发了s 9系列低损耗 配电变压器 ( 限于当时的情况， 产品材料消耗较大， 使变压器 成本相对增加， 没有推广开。2 0世纪 9 O年代中期又推出成本 较低的新s 9系列产品 ) ， 使空载损耗和负载损耗有明显下降。 根据产品资料 ， 按变压器 1 0 0 负载率下， 计人无功损耗计算 比较， 2 O 世纪 8 O年代初期生产的 s 7系列低损耗配电变压器 的损耗都高于 s 9 ，空载损耗平均高 2 3 ，负载损耗平均高 2 0 ， 总损耗平均高 2 1 。而 1 9 8 0年以前生产的 S J 、 S J L 、 S L 1 囫 2 0 0 6 7 ( 总 第 7 6 期 ) 等 ( 按照 6 0和 7 0年代当时标准 6 4 和 7 3 设计 ) 系列配 电变压器的损耗比 s 9更高， 空载损耗平均高 2 4 7 ， 负载损 耗平均高 4 0 ， 总损耗平均高 7 3 。 为了节约能源和促进变压 器制造技术的更新换代 ，国家已先后宣布了上述高损耗变压 器为淘汰产品。1 9 9 8 年， 国家计委及第一机械工业部在其 第 十八批节能机电产品推广项 目和第十七批淘汰产品目录 中 明确规定了自 1 9 9 9年 1 月开始， 禁止生产和销售s 7系列变压 器产品， 推荐使用 s 9系列节能变压器。随着市场经济的发展 和科技的不断进步 ， 新材料、 新_T艺的广泛应用， 新的低损耗 节能配电变压器相继开发成功。国内许多变压器制造厂商投 维普资讯 交流与探讨 主持人： 党 毅 人了大量资金引进国外先进的制造技术及设备，不断研制开 发低损耗变压器和各种结构形式的变压器， 如油浸变压器已出 现了比新 s 9系列更节能的 S 1 0 、 S 1 l 系列，新型干式变压器的 S C 9系列以及非晶合金铁心等低损耗产品都显示了我国配电变 压器的节能潜力。以下为几种 目前我国采用的新型节能变压 器 ： 3 1 S 1 1系列配 电变压器 s l 1 系列包括卷铁心和叠铁心两种， 其中卷铁心又分平面 卷铁心和立体卷铁心。 3 1 1 S 1 1 卷铁心配变 ( 典型型号： s l 1 一 M R) 。这种配变 2 O世纪 9 O年代在我国开发研制 ， 最大的特点就是铁心南硅钢 片不间断连续卷制而成， 在片形上没有接缝。其主要优点是： 3 1 1 _ 1 硅钢片连续卷制， 铁心无接缝， 大大减少了磁阻， 空载电流降低 6 0 - 8 0 ； 3 1 1 2 连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性 ， 空载损 耗降低 2 O - 3 5 ； 3 1 1 3 卷铁心结构成自然紧固状态，无需夹件紧固， 避 免了因铁心加紧力所带来的铁心性能恶化， 损耗增加； 3 1 1 4 卷铁心自身是一个无接缝的整体，且结构紧凑， 在运行时的噪音水平降低到 3 0 - 4 5 d B，大大优于国标要求 ( 4 4 - 5 7 d B) ， 保护了环境。因此， 很适合于建筑物内和生活区 安装使用； 3 1 1 5 应用特殊夹件进行器身装配， 使其抗短路能力优 于叠片式铁心； 3 1 _ 1 6 铁心和线圈在专用上卷制， 减少了由人T制造造 成的质量波动， 质量稳定可靠。 卷铁心变压器的缺点 ： 铁心退火工艺要求较高； 铁心 卷绕和线圈绕制需要专用设备 ； 铁心和绕组维修困难。 目前我国市场上主要供应的是平面卷铁心配变 ，平面卷 铁心有 “ 阶梯型”和 “ R型” 两种结构。 3 1 2 s 1 1 叠铁心配变 ( 典型型号： s l 1 一 M) 。S 1 1 叠铁心 配变是在 s 9系列产品结构设计的基础上进行开发的， 其主要 特点是铁心采用了高导磁、 低损耗的优质高性能硅钢片 ， 降低 了空载损耗。 叠铁心生产使用时间长， 生产T艺成熟， 结构稳定。但由 于采用人工叠片、 叠装 、 拆插上铁轭等 ， 产品质量容易受人为 因素影响， 造成质量波动。另外， 由于结构所限， 其噪声要比卷 铁心配变大。 3 2单相 配 电变 压 器 美国等世界多数国家早已在居民低压配电的单相三线制 系统中使用， 对降低低压配电损耗意义重大， 这方面已有较多 论著。变压器多为柱上式， 便于安装并靠近负荷中心， 通常为 少维护的密封式。与同容量三相变压器相比， 空载损耗和负载 损耗都小， 有效材料用量也少， 价格低 2 0 - 3 0 。我国在个别 地方试改制后顿受用户欢迎。 3 3非 晶 合 金 配 电 变压 器 CUANG XI DI AN YE 店 弩 谍 白1 9 7 9年美国联信公司发明非晶片至今 ， 在全世界范围 作为样品研制和少量生产使用 ，非晶合金配电变压器的空载 损耗比硅钢片的下降 7 0 8 0 ， 但至今未全面推广使用的根 本原因是价格较高。非晶合金铁心密封式变压器额定容量在 5 0 k V A 2 5 0 0 k V A之间， 空载损耗在 3 4 W- 7 0 0 W之间 ( 比硅钢 片配电变压器下降 7 0 8 0 ) ，负载损耗在 8 7 0 W 2 1 5 0 0 W 之间，空载电流在 O 5 - 1 5 之间，短路阻抗在 4 4 5 之 间。缺点是：饱和磁密低 ，铁心的质量一般较冷轧硅钢片大 3 0 ， 相对的铜材多， 体积较大， 制造成本高 ， 价格较高。 3 4干式 配电变压器 由于结构简单 、 维护方便 、 防火等特点， 被广泛应用在对 安全运行有较高要求的场合。以前干式配电变压器用量较少， 近年来发展很快 ，目前已约占配电变压器总容量的 5 左右 ， 部分大城市已占到 5 0 。 3 4 1 环氧树脂干式变压器在国内取得了很大的发展。目 前国内能生产最高电压 3 5 k V最大容量 2 0 0 0 0 k V A的环氧树 脂干式变压器。S C 9型为干式新型节能变压器， 损耗比老式产 品大大 降低 ，比老 S C 8干式变 压器空 载损耗 平 均降低 8 7 5 2 、 负载损耗平均降低 1 0 2 7 ； 对比 s 9油浸式空载损耗 平均降低 1 7 3 4 ， 负载损耗平均降低 2 3 8 8 。另外变压器噪 音水平也显著降低。我国和欧洲多使用这一类型干式变压器。 3 4 2 浸渍式干式变压器 ( 或称做 N o me x 纸型 ) 是干式变 压器应用最早的种结构 ，发展为敞开式通风干式变压器 ( O V D T) ， 绕组层间、 匝间绝缘采用聚脂纤维纸或聚芳胺合成 纸( N O ME X纸 ) 。这种结构的绕组经真空压力浸漆 ( V P I ) 工 艺处理后有足够的承受短路能力。因为 N o me x 纸耐温等级为 c级( 2 2 0 ) ， 是耐高温绝缘材料 ， 具有阻燃 、 防潮及优良环保 特性， 允许长时间大负荷过载 ， 运行可靠性较高。目前这种变 压器占美国市场干式变压器的 8 5 。 3 5 箱式变压器 ( 简 称箱变 ) ， 又称 预制式变电站。 大部分功能部件与变压器器身均浸入变压器箱内，由变 压器制造厂生产。箱变靠近负荷中心， 可降低线损， 体积小， 占 地少， 安装灵活， 送电周期短， 且对环境的适用性强， 运行安全 可靠， 属于节能配电变压器之列。缺点是按一定的接线方式设 计制造 ， 运行后改造和增容困难， 二次配出较少， 不能满足多 回低压出线的要求。 3 6 三角形高效 节能变压器 。 新发明的三角形卷铁心高效节能变压器打破了传统三相 变压器的平面排列模式，采用 3只同形半圆截面卷铁心框组 合成三相变压器铁心， 使三相铁心磁路完全均衡， 而且缩短了 铁轭 ， 铁心无接缝 ， 降低了磁阻。它具有激磁电流、 谐波含量及 空载损耗低、 体积小 、 运行时噪声小等优点。与传统变压器相 比， 空载损耗下降 4 6 8 ， 负载损耗下降 7 5 ， 油箱体积减少 1 4 ，质量减少 1 5 ，空载电流谐波减少 8 0 ，运行噪音降低 1 3 d B， 是目前综合性能较好的高效节能配电变压器。 2 0 0 6 7 ( 总 第 7 6 期 ) 团 维普资讯 店 室 景 主 持 人： 党 毅 交流与探讨 GUANG XIDI AN YE 油浸式配电变压器的性能及经济指标的对比计算分析 由于油浸式配变是 目前配变的主导产品， 多年来， 随着变 压器制造技术的不断进步， 新材料 、 新工艺的不断应用， 油浸 式配电已多次开发出了新型换代产品。 配电变压器一直朝着低损耗和低噪音的方向发展 ，城乡 电网改造工程淘汰的 1 0 k V高耗能变压器 1 3 1 5 万 k V A。采用 的配电变压器实现了由 s 7型向 s 9型及以上新系列型式节能 变压器的转变， 目前正逐步向损耗更低的S 1 1 系列转变。 近几年 ，国内研制生产的s l l 系列配电变压器的效率与 s 9系列相比， 在性能参数满足规程的前提下， 空载损耗又下降 了 3 0 以上。 s 7 、 s 9和 S 1 1型的 2 0 0 k V A配电变压器损耗参数对比如 表 2 所示。 根据 工矿企业电力变压器经济运行导则 ， 对配电变压 器的损耗参数进行经济计算分析， 并对 S 1 1 - 2 0 0 1 0型式与 s 9 和s 7型式的同容量配电变压器进行比较分析。 表 2 不同型式的 2 0 0 k V A配电变压器损耗参数对比 型号 空载损耗( k W) 负载损耗( k W ) S 1 1 - 2 0 0 1 0 0 3 2 2 3 9 $ 9 - 2 0 0 1 0 0 4 8 2 6 0 $ 7 - 2 0 0 1 0 0 5 4 3 4 3 实际运行中。 配电变压器的空载损耗等于负载损耗时， 其 电能转换效率最高。经计算 ， 以上3种系列型式的 2 0 0 k V A配 电变压器的最佳负载系数和最高效率分别为： B t t= 3 6 6 、 t I = 9 9 1 ； B 9 = 4 3 0 、 -q 9=9 8 9 ； p 7 = 3 9 6 、 - q 7 = 9 8 7 。可见， 实 际制造的新系列配电变压器 ， 不仅空载损耗大幅度降低， 负载 损耗也有所下降。 实际应用中，配电变压器的负载率往往很难达到最佳状 态， 如按 8 0 负载率考虑， 经计算， 2 0 0 k V A各系列型式的配电 变压器年有功电能损耗情况分别为： S 1 1系列 1 6 2 0 0 k Wh ， s 9 系列 1 8 7 8 0 k wh ， s 7系列 2 3 9 5 0 k wh 。 可以看出， 当变压器负载率 B= 0 8时， S 1 1 - 2 0 0 1 0型配电 变压器 比s 9 2 0 0 1 0型配电变压器年节约电量 2 5 8 0 k Wh ， 比 s 7 2 0 0 1 0型配电变压器年节约电量 7 7 5 0 k Wh 。如果电价按 0 6 0 ( k wh ) 计算 ， 年可节约的电费分别为 1 5 4 8 元和 4 6 5 0 元。目前， 市场上 S 1 1 - 2 0 0 1 0 、 $ 9 - 2 0 0 1 0 及 $ 7 - 2 0 0 1 0型配电 变压器的参考价格分别为 2 4 0 0 0元、 2 2 5 0 0元和 2 1 0 0 0元。与 年节约电费比较，使用 S 1 1 - 2 0 0 1 0型配电变压器当年即可收 回购买设备的投资差价。同时， 由于S 1 1 系列变压器采用全密 封波纹油箱， 取消了储油柜， 加装了压力释放阀。 外形美观 ， 属 于免维修产品。同时配电变压器油不与外界空气接触， 减缓了 绝缘材料的老化， 其使用寿命比普通配电变压器要长很多。由 于延长了变压器使用寿命 ， 减少了运行维护费用， 减少了变压 器停电检修对生产经营的影响， 因此， 其经济和社会效益十分 圈 2 0 0 6 7 ( 总 第 7 6 期 ) 可观。 4 油浸式 R型卷铁心结构的 S 1 1系列 配 电变压 器性 能、 结构及应 用 应用电子计算机技术，将冷轧取向硅钢片经过专用的计 算机控制的曲线滚剪机加工，裁剪成一条宽度连续变化的线 性钢带， 再卷绕成封闭形铁心， 其截面形状近似为纯圆形， 故 称为 R型铁心。 s l l 型卷铁心配变与传统油变从结构性能上比较， 有以下 几个特点 ： 4 1 硅钢片连续卷制， 铁心无接缝， 大大减少 了磁阻 ， 空 载电流减少了 6 0 - 8 0 ， 提高了功率因数， 降低了电网线损， 改善了电网的供电品质。 4 2 连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性，空载损耗降 低 2 0 - 3 5 。 4 - 3 卷铁心经退火工艺后，其导