关键词: 节能; S13 型配电变压器; 技术经济

2011 年8 月，国家电网公司编发了《第一批重点推广新技术目录》，S13 型及以上型号系列的配电变压器( 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。根据《JB /T 3837—2010 变压器类产品型号编制方法》，S13 型配变与同容量S11 型配变相比，空载损耗下降了20% ～ 30%，负载损耗不变; 非晶合金变压器空载损耗比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，进行节能原理分析、技术性能分析和经济比较，为选用该型号配变提供参考。

1 S13 型配变节能原理

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方向不一致、多处空气接缝等缺陷，制约了变压器能效水平的提升。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、磁路最短，从而降低损耗; ②改变传统的叠片方式，3 个单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，使空载损耗及空载电流大幅度下降。理论上，S13 型立体卷铁芯配变易于生产，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。

1． 2 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。

2 经济性比较

目前，国内应用的节能型配变主要有S11 型配变、S13 型立体卷铁芯配变、S13 型叠铁芯配变以及采用非晶合金铁芯的SH15 型配变。其中，S11 型叠铁芯配变与非晶合金SH15 型配变应用较多。

2． 1 年损耗比较

根据《GB 13462—2008 电力变压器经济运行导则》，综合对比S11 型、S13 型、SH15 型( 非晶合金) 配变，计算各型配变的年损耗值。其中，S13 型分为叠铁芯与卷铁芯结构两种。计算采用标准如表1。

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

NL = P0 + KqQ0，Q0≈I0%SnLL = fβ2Pk + Kq fβ2Qk，Qk≈Uk%Sn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;

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;β———平均负载系数;

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%，负载损耗相同。以315 kVA 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。

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。

2． 2 经济性比较

电价按0． 65 元/kW·h 计算，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表示期数，以i 表示利率，则等年值可表示为A = －［ C11 － ( 1 + i) － ni+ C2］+ R + S( 1 + i) n － 1i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 配变工程将S13 型与S11 型进行对比，假设中标厂家生产的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。

由表6 可见，S13 卷铁芯变压器的年投入较少，比S11 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5 年，残值为2 万元，S13 型叠铁芯配变售价5． 9 万元，计算结果如表7。由表7 可见，用S13 型叠铁芯配变替换S11 型配变并不经济。

3 配变性能比较

3． 1 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的声级限值并无标准规定，仅由制造单位与用户协商确定。根据标准，10 kV 油浸式电力变压器的声功率级不得超过50 dB。《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》对立体卷铁芯配变的声级限定要求如表8。

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

与S11 型及SH15 型配变外形尺寸相比，S13 型叠铁芯或卷铁芯配变外形尺寸未见明显变化。

3． 3 变压器重量

分别对3 个厂家生产的配变进行调查，A 厂S11 型、S13 型以及SH15 型配变，B 厂立体铁芯S11型、S13 型配变以及C 厂SBH15 型配变，对比如表9。S13 型配变和S11 型配变重量处于同一水平，与非晶合金配变的对比，则S13 型配变优于SH15 型非晶合金配变。

3． 4 过负载能力

根据《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》，变压器寿命通常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) ，该骨架较厚且线圈热量不能通过骨架散发，内线圈的内层和外层在单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筒较薄，散热效果好，内外层间温差较小。因此，即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，也不以铁芯结构、材质为判断依据，应以产品验收及实验为准。

4 结论

基于以上分析，S13 型配变的经济性优于S11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。通过等年值法求出的绝对值越小，则每年投入越少，即选用该型号配变更经济。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。