配电变压器的节能测算

      根据实测的负荷分布数据和利用Microsoft Excel 绘制的变压器的日负荷曲线， 计算了负荷的动态功率损耗。在此基础上对配电变压器系列的“移峰填谷”、“低谷时小变压器替代大变压器” 以及“耗能变压器更换成同容量或容量大一级的节能变压器” 等方案进行了详细的计算， 最后给出新变压器投资的简单回收期限和二氧化碳的减排量。
        关键词         配电变压器         节能方案简单回收期          动态功率损耗          二氧化碳减排          负荷曲线
        当前， 全球变暖和温室气体减排已成为全世界极为关注的话题， 节能和减排对大至国家发展模式、具体至我们所从事的电气工作的理念和方法都将产生深刻的影响。国家发展改革委员会/ 世界银行/ 全球环境基金中国节能促进项目办公室将历年的节能、节电实施项目汇集成《中国合同能源管理节能项目案例》［1］ 一书。本文将遵循该书中： 为了环境效果而节能→ 创造节能的经济效益→ 达到节能投资的限期回收的思路， 进行配电变压器节能方案的选择和计算。
        1 节能的环境效果和经济效益
        电能为二次能源， 大部分是由煤、油、天然气等矿物能源燃烧发电产生的， 燃烧产生的二氧化碳气体排入大气， 当今世界主流意见认为： 二氧化碳的排放和积累导致全球变暖。产生电能的一次能源除上述碳氢化合物外， 还包括核裂变物质、水力、太阳能和风力等， 可以把其它一次能源按发热量折合成标准煤（标准煤发热量为29 307 kJ / kg）， 然后按上述一次能源在我国发电量中所占的比重， 综合给出：
         a . 标准煤/ 电的折合系数= 0 . 399 t 标准煤/MW·h；
         b . 二氧化碳/ 电的排放系数= 0 . 226 8 t 碳/MW·h， 计算结果为二氧化碳中的碳含量， 故通常也称为碳排放系数；
         c . 二氧化硫/ 标准煤的排放系数= 0 . 018 t /t 标准煤；
         d . 总悬浮颗粒物/ 标准煤的排放系数= 0 . 014 t /t 标准煤。
        通过以上各式的计算， 可以定量地获得节电的环境效果。
        近年来节能减排的要求日趋突出和严格， 因此，在进行配电变压器的节能方案选择时， 要综合考虑设备运行的能耗和一次性投资的大小， 不能用牺牲环境的代价去换取一次性投资的节省。为了环境与投资的和谐， 进行节能改造的投资应在一个合理的回收期内， 用运行中的节能经济效益加以补偿［1］。数学公式表示为：
         所谓简单回收期就是在计算回收期时不考虑银行贴现率、物价和资金投资效益等动态因素的影响。简单回收期的范围一般定为5 年左右或稍长一点时间较为合理， 部分耐用设备和器材的回收期可以更长一些。变压器的寿命期高达20 年， 考虑到投资方的承受能力不宜用寿命期作为回收期。
        以下各节中节能方案的计算以及表格、曲线的生产均采用Micrsoft Excel 电子表格软件［2］。
         2 变压器负荷曲线的测绘
        变压器节能方案实施后经济效益的测算有很多方法， 其中最简便的方法， 就是用电度表测量节能方案实施前后同等时段内有功电能损耗的差值。这种方法实质上是测算稳态损耗的差值。
        下面将介绍一种更准确更接近于实际动态损耗的节能测算方法， 该方法首先要测量与绘制日负荷分布曲线， 需要时在日负荷曲线的基础上再测绘月负荷曲线。然后利用日负荷曲线或月负荷曲线进行损耗的动态计算和节能计算。
         2 . 1 日负荷曲线
        即有功负荷的日分布曲线， 反映一日24 h 内有功负荷的动态变化， 即负荷的波动或峰谷分时状况的变化。曲线的横坐标为测量时段， 单位为h， 纵坐标为该时段内有功功率的平均值， 单位为kW。
        采用有功电能表（电度表） 每隔1 h 记录一次电能的增量， 因为测量的时间间隔为1 h， 故电能增量的kW·h 数， 正好等于有功功率1 h 内平均值的kW 数。
        日负荷曲线把1 h 内的负荷作为稳态负荷， 而把一天内各个时段的变化负荷作为动态负荷处理， 这样， 一方面可以简化损耗计算， 另一方面也比较符合变压器绕组和铁芯发热损耗的实际状况。因为对于压器来说短时间的尖峰负荷并不是造成绕组和铁芯最高温度的原因， 只有持续0 . 5 h 以及0 . 5 h 以上的平均负荷才可能导致稳定的温升。为此， 可规定每隔1 h 测量一次平均值。
        下面介绍如何利用获得的有功负荷日分布的测量数据和Microsoft Excel 的绘图功能， 进行日负荷曲线的绘制（将表1 中的B 列数据制作成柱形图）。
        2 . 2 月负荷曲线
        标准月均按30 天720 h 计算， 其中工作日为22天， 占24 × 22 = 528 h； 公休日为8 天， 占24 × 8 =192 h。工作日日负荷曲线1 时段相当于月负荷曲线的22 h， 公休日日负荷曲线1 时段相当于月负荷曲线的8 h。
        不同于日分布曲线， 月负荷曲线不以日、时前后的时间顺序排列， 如欲逐日逐时地绘制月负荷分布曲线， 将使数据测量的工作变得十分繁杂， 也将使月负荷曲线的数据表格过于庞大。月负荷曲线可以以一月中典型的工作日和公休日的日负荷曲线为基础进行绘制。月负荷分布曲线以全月时段（720 h） 为横坐标，以各时段的负荷（kW） 为纵坐标， 按负荷大小降序排列， 降序排列更容易看出负荷的变化趋势。具体做法如下：
        a. 选择典型工作日负荷数据： 将表1 单元格B2： B25 中原日分布曲线的数据作为典型工作日的有功负荷的数据。
        b . 键入典型公休日负荷测量数据： 在表1 单元格C26： C49 中输入典型公休日有功负荷的测量值。
        c . 工作日和公休日数据的合并： 在单元格D2：D25 和D26： D49 分别填入一月内工作日和公休日的时段值， 其中工作日的时段值为22 h， 公休日的时段值为8 h。同时， 把B2： B25 和C26： C49 中的数据复制到F2： F49 中。
        d . 将F 列的数据进行降序排列。
        e . 计算月负荷曲线的横坐标值： 将E 列作为月负荷曲线的时间坐标列， 按E 列和F 列数据作出有功负荷月分布折线散点曲线。
        3 变压器稳态损耗和动态损耗的计算
        4 移峰填谷的节能效益
        移峰填谷是改变部分负荷的用电时间， 将高峰负荷分出一部分改在低谷时运行。移峰填谷可以减少变压器的损耗， 使用电单位产生一定的节能效益。
        4 . 1 S5 - 315 kV·A 单台油浸变压器的节能计算表1 的J 列和图3 为B 列负荷经移峰填谷后的日负荷值和日负荷曲线。从单元格J51、J53 可见日负荷的平均值仍为87 . 8 kW， 稳态损耗也仍为0 . 513 5 kW。但由于移峰填谷后的日负荷分布趋于平稳， 可以预见动态损耗和负载波动损耗系数KT将比移峰填谷前减少。移峰填谷后的动态计算详见表1 的K列， Excel 计算方法同H 列， 移峰填谷后动态日节电功率为：
         4 . 2 S5 - 315 ～ 1 600 kV·A 油浸变压器的系列计算
         4 . 3 计算结果分析
         a . 移峰填谷时不更换变压器， 也不对变压器的结构进行改造， 所以铁损P0的影响在移峰填谷前后互相抵消。
         b . 移峰填谷节能的实质在于使负荷分布更加均衡、动态负载系数βdt值下降， 因此变压器的负载损耗也随之下降。
         c . 本文设计的移峰填谷方案意味着由8 h 的一班制高峰运行转变为2 × 6 h 的二班制运行， 班次的增加如果涉及生产人员或值班人员的增加， 即使对于年节电达6 938. 6 kW·h 的1 600 k·VA 变压器， 其经济效益仍难以弥补人力成本的增加， 这在实施移峰填谷前应加以考虑。
         5 低谷时改用小变压器的节能效益
         5 . 1 计算公式
        购置一台S9 小变压器在低谷时替代S5 大变压器运行。首先将表1B 列的负荷值分为低谷和高峰两时段列于L 列， 其中S5 大变压器在8 ～ 16 高峰时段运行9 h； S 9小变压器在17 ～ 24、1 ～ 7 低谷时段运行15 h。大小变压器分段运行后的日节电量的动态计算公式为：
         5 . 2 315 kV·A 单台油浸变压器的计算
         这里大变压器选S5 - 315 kV·A， 小变压器根据负荷大小选S9 - 50 kV·A。表1 中L 46 为（13） 式年节电量的计算结果。
          5 . 3 315 ~ 1 600 kV·A 油浸变压器的系列计算
          这里大变压器选S5 - 315 ～ 1 600 kV·A， 低谷时相应小变压器分别选S9 - 50 ～ 200 kV·A 。表2 第25 ~ 28 行分别为S5 - 315 ～ 1 600 kV·A与S9 - 50 ～ 200 kV·A 变压器低谷动态负载电能损耗（kW·h）、S5 、S9 大小变压器低谷空载电能损耗差值（kW·h）， 以及大小变压器低谷时段年节电量（kW·h）。
        表2 第29、30 行分别为小变压器投资的简单回收期（ 年） 和改用小变压器后的CO2减排量（t / 年）。
         5 . 4 计算结果分析
         a . 低谷时改用S9 的小型变压器代替大变压器运行， 由于大、小变压器的铁损P0值不相同， 所以应考虑铁损的影响， 从表2 计算结果可以看出负载损耗不减反升。
         b . 低谷时改用S9 小变压器代替大变压器运行时， 负载损耗是由β 2 Pk决定的， 尽管小变压器的Pk比大变压器的小一些， 但小变压器的额定容量Se的平方值比大变压器小得多， 致使同等负荷下小变压器的β 2 比大变压器大很多。
         c . 更换小变压器需要一定的投资， 投资费用详见表2 第13 行， 第29 行投资回收期的计算结果为3 . 0 ～ 4 . 2 年， 可以看出， 低谷时改用S9 小变压器代替大变压器的经济效益是十分明显的。
         6 S5 变压器更换成同容量或容量大一级S9 变压器的节电计算
         6 . 1 负荷不变时， 老式的S5 变压器更换成同容量的S9 节能变压器
         6 . 2 负荷不变时， 老式的S5 变压器更换成容量大一级的S9 节能变压器
         6 . 3 计算结果分析