電力工程師論文征稿變壓器經濟效益

　　本篇文章是由《電工技術》發表的一篇電工論文，(月刊)創刊于1980年，是由國家科技部主管，科技部西南信息中心主辦，在國內外電力電子、自動化類雜志中具有很大影響力的實用性技術雜志。已被中宣部和新聞出版總署評選為中國期刊方陣期刊。

　　我國電力變壓器產品可按容量大小分為大型變壓器(容量大于或等于8000kVA)和中小型變壓器(容量小于或等于6300kVA);也可按電壓等級分為6kV、10kV、35kV、60kV、110kV、220kV、330kV和500kV等。作為電壓變換設備，變壓器被廣泛應用于輸電和配電領域，特別是10kV和35kV電壓等級的變壓器，在電力、工業和商業配電系統中被普遍使用，且數量巨大。

　　【摘　要】　參照國際有關標準(TOC)，提出變壓器的經濟評價方法，并給出了計算實例。結果表明，采用S9型比S7型更經濟;用S9型替換在役的"64"和"73"系列高損耗變壓器，投資回報期為2～3年。

　　1　前言

　　1999年，我國年產變壓器約33.8萬臺，其中10kV和35kV級約31.3萬臺，占92.6%。據估計，目前在電網上運行的10kV和35kV級變壓器約有10億kVA以上。由于使用量大，運行時間長，變壓器在選擇和使用上存在著巨大的節能潛力，特別是量大面廣的10kV和35kV級變壓器。選擇高效節能產品，不但對節約能源具有重要意義，同時還可以大大降低變壓器的運營成本，是企業改善經濟效益的重要途徑。我國10kV和35kV級變壓器絕大多數為標準設計，其產品標準經歷?quot;64"標準、"73"標準、"86"標準到90年代中期的"95"標準的不斷進步，產品由原來的高損耗型(SJ，SJL…S7)發展到了現行的較低損耗型(S9型等)。截至1998年底，S7型變壓器及以前的產品已由國家先后公布淘汰，停止其生產和銷售。隨著計劃經濟向市場經濟的轉變，以及社會對節能和環保的需求，我國變壓器的效率水平將呈現出多樣化的趨勢。目前市場上已出現了比S9系列更節能的產品，如S10、S11系列等。

　　在電網使用的變壓器中，役齡超過20年的老舊變壓器仍約占10%以上。這些變壓器是按照60和70年代當時"64"和"73"標準設計的產品，損耗非常高。與當前的S9系列相比，平均損耗高100%以上，節能潛力巨大。對于企業來說，如何從長遠的經濟效益出發，確定適當的變壓器效率水平以及是否應該用節能變壓器替換高耗能變壓器，是變壓器選購和管理中亟待解決的問題之一。

　　國際上有許多評價變壓器能效的方法，所有的方法都要求比較變壓器價格及其損耗費用。美國在70年代后期，由于能源價格的攀升，許多電力公司開始要求所設計的變壓器應能具有最低的服務年限費用，這樣就產生了總擁有費用(TOC)法。TOC法在美國于1981年發展成為工業標準。按照TOC標準購置變壓器一直沿用至今，TOC方法是總和了變壓器的初始費用和等價現值的損耗費用，表達所購變壓器全面的綜合費用。我們用TOC法曾評述過配電變壓器S9型與S7型的經濟效益，比較結果說明了S9變壓器價格雖高于S7約20%，但損耗指標比S7低約21%，S9所多支村的資金可以在2～3年內從節約的損耗電費中收回。同樣，用S9變壓器更換80年前的老變壓器產品進行效益比較的結果說明，在只支付S9的設備費不計老變壓器回收價值的條件下，S9的資金也可以在2～3年內從節約的損耗電費中得到償還。

　　本文介紹了用等價初始費用(Equivalent First Cost- EFC)的總擁有費用法TOCEFC(以下簡稱TOC)評價變壓器經濟效益的具體方法及計算過程。

　　本文提供的方法參照了美國國家電氣制造商協會的有關標準，即：美國NEMA TP1-1996標準，并結合了中國的實際情況。

　　2　總擁有費用法TOC(Total Owning Cost)

　　所謂總擁有費用(TOC)，就是變壓器的初始投資和其在使用期內的損耗費用之和。總擁有費用法通過比較具有不同效率水平和不同價格的變壓器的總擁有費用，按照總擁有費用最低來選擇變壓器效率水平。

　　2.1　TOC的計算公式

　　TOC=C+A×NL+B×LL

　　式中　NL--變壓器額定空載損耗或鐵損，kW;　LL--變壓器額定負載損耗或銅損，kW;A--變壓器壽命期間空載損耗每千瓦的資本費用，元/kW;　B--變壓器壽命期間負載損耗每千瓦的資本費用，元/kW;　C--變壓器初始費用，方案對比時可用其設備價格，元。

　　2.2　計算式參數的確定

　　2.2.1　變壓器空載損耗NL和負載損耗LL

　　變壓器空載損耗NL和負載損耗LL都包括額定有功損耗并計及其無功功率在電網上的有功損耗，按下式計算：

　　空載損耗　NL=P0+kQ0=P0+k(I0%Se/100)

　　負載損耗　LL=Pf+kQf=Pf+k(Ud%Se/100)

　　式中　P0--變壓器額定空載有功損耗，即鐵損kW;

　　Q0--變壓器額定勵磁功率，kvar;

　　Pf--變壓器額定負載有功損耗，即銅損kW;

　　Qf--變壓器額定負載漏磁功率，kvar;

　　k--無功經濟當量，按變壓器在電網中的位置取值，一般可取k=0.1kW/kvar;

　　I0%--變壓器空載電流，%;

　　Ud%--變壓器阻抗電壓，%;

　　Se--變壓器額定容量，kVA。

　　2.2.2　A、B系數

　　A系數是變壓器壽命期間單位空載損耗的資本費用(元/kW)，B系數是變壓器壽命期間單位負載損耗的資本費用(元/kW)。A和B兩個系數對于變壓器購買者掌握變壓器空載損耗和負載損耗價值甚為重要。一旦確定A和B的數值，評價變壓器的總費用就變得簡單易行了。

　　對電力企業和非電力企業，A和B系數的確定有不同的方法。A和B系數與變壓器空載損耗和負載損耗有聯系的能量費用和容量費用呈函數關系。對于電力企業而言，由于單位損耗的能量費用和容量費用與發電、輸電和配電的整個過程投資和運行方式有關，比較復雜，需由電力企業專業人員研究制定，本文在此就不予贅述了。

　　對于非電力企業，單位損耗的能量費用和容量費用則主要與該企業所負擔的電價及變壓器運行方式有關，本文給出了A、B系數的計算方法，對其在更廣泛的行業所用數據見附錄。

　　(1)系數A--變壓器空載損耗每千瓦的資本費用

　　變壓器空載損耗每千瓦的資本費用或系數A，通常可以看作變壓器在壽命期不變的數，一天24小時，一年365天，20年不變(以下均設變壓器壽命期為20年)。A的數值主要由電價來決定，等效于期初的現值表達式如下：

　　A=kPW×(EJL×12+EL×hPY)，元/kW

　　式中　kPW--現值系數={1-[(1+a)/(1+i)]n}/(i-a)，(式中變壓器使用期n年，年利率i，年通貨膨脹率a，其中的關系見以下說明);EJL--兩部電價中的基本電費(元/kW，月);

　　EL--兩部電價中的電量電費(元/kW·h);

　　hPY--年運行小時數，一般取8760h。

　　(2)系數B--變壓器負載損耗每千瓦的資本費用

　　變壓器負載損耗每千瓦的資本費用或系數B，除了電價因素外，主要與變壓器所帶負載特征有關，負載特征可用年最大負載損耗小時數(由最大負載利用小時Tmax和功率因數確定，見附錄中表1)以及負載率表示。重負載、運行時間長以及負載率高的生產企業，其系數B就大，反之則小。系數B的數值等效于初始費用的現值，表達式如下：

　　B=kPW×(EJL×12+EL×τ)×P2，元/kW

　　式中　kPW--現值系數，同系數A;

　　EJL--兩部電價中的基本電費(元/kW·月);

　　EL--兩部電價中的電量電費(元/kWh);

　　τ--年最大負載損耗小時數(由最大負載利用小時數Tmax和功率因數cosφ確定，

　　見附錄表1);

　　p--變壓器負載率=變壓器計算負載÷變壓器額定容量。

　　(3)現值系數kPW對系數A和B的影響

　　在初期籌措變壓器使用年限損耗費用的資金時，要考慮資金的時間價值，此時需將變壓器運行中每年的損耗電費折算到投資初始的時刻，A和B系數均含現值系數kPW分量使其等值于設備購置同一時刻的初始費用。

　　現值系數kPW基于計算年限(變壓器壽命)n、年利率i和年通貨膨脹率a的三個因素，其計算式為：

　　kPW={1-[(1+a)/(1+i)]n}/(i-a)

　　從計算式可看出，已知計算年限為n，當年利率i愈高，計算所得kPW現值系數愈小，損耗費用的A與B系數也愈小。因為這時資金的時間價值高(利息高)，故資金的投入也就減少。而年通貨膨脹率a則反之，當a愈高，計算所得kPW現值系數愈大，損耗費用的A與B系數也愈大。因為這時物價上漲，貨幣貶值，貨幣資金的時間價值下降，資金投入也就要增加。