CN106298215B - 一种配电变压器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于制造成本和运行环境的配电变压器设计方法，包括步骤1：配置待设计配电变压器的设计方案；步骤2：确定待设计配电变压器运行环境要求；步骤3：设定每种设计方案中配电变压器的制造成本C和性能指标；步骤4：比较待设计配电变压器与不同类型配电变压器的全寿命周期成本LCC，限定其制造成本C。与现有技术相比，本发明提供的一种配电变压器的设计方法，通过建立配电变压器的全寿命周期成本模型，分析其各部分成本构成，对各个部分成本进行灵敏度分析，参照具有相同过载能力的配电变压器的制造成本，限制待设计配电变压器的全寿命周期成本增加，从而提高待设计配电变压器的技术经济性。

Description

一种配电变压器设计方法

技术领域

本发明涉及变压器领域，具体涉及一种配电变压器设计方法。

背景技术

现有的油浸式10kV配电变压器的过载能力主要执行GB 1094.7-2008规定设计与制造，变压器具有的过负荷能力由负载电流、热点温度、顶层油温及除绕组和引线外的金属部件温度等多个限值共同界定，即运行配变的热点温度、顶层油温及除绕组和引线外的金属部件温度共同限制，若其中1项越限，则其他项需相应降低。因此可通过提高相关元件和绝缘部件的耐热性能，降低铁芯漏磁对金属部件造成的温升，增强绕组内部的散热能力，增强油箱、散热片等外部构件的承压能力，理论上可以提升配电变压器过载能力。

高过载能力配电变压器(以下简称“高过载配变”)是一种能够承受一定时间过载运行的变压器，通过增加高、低压绕组油道的数量(即增加内散热面积)，降低绕组对油的温度影响，防止变压器过载后线圈局部过热；通过增加油箱的散热面积，降低变压器顶层油对外部空气的温升；通过选用耐高温绝缘材料，绝缘油提高相关元件和绝缘部件的耐热性能等，整体提升配电变压器过载运行能力，且全寿命周期不缩减。但是，增大配变油道和外部散热面积、提高材料的绝缘耐热等级等措施都将增大制造成本，降低高过载配变的经济性。

综上，需要提供一种保证高过载配变技术性能的基础上，在一定程度上降低了高过载配变的制造成本的配电变压器设计方法。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种配电变压器的设计方法。

本发明的技术方案为：

步骤1：配置待设计配电变压器的设计方案；

步骤2：确定所述待设计配电变压器运行环境要求；

步骤3：确定每种设计方案中配电变压器的制造成本C和性能指标；

步骤4：比较待设计配电变压器与不同类型配电变压器的全寿命周期成本LCC，限定其制造成本C。

优选的，所述步骤1中的设计方案为以下三种设计方案之一：

第一设计方案，同时采用第一设计法和第二设计法提升所述配电变压器的过载能力；

第二设计方案，同时采用第一设计法、第二设计法和第三设计法提升所述配电变压器的过载能力；

第三设计方案，同时采用第一设计法、第二设计法、第三设计法和第四设计法提升所述配电变压器的过载能力；

优选的，所述第一设计法，为调整所述配电变压器内部的油道数量；

所述第二设计法，为调整所述配电变压器外部的散热面积；

所述第三设计法，为改变所述配电变压器中各部分的材料类型，以提高配电变压器的绝缘耐热等级；

所述第四设计法，为改变所述配电变压器中变压器油的类型，以提高变压器油的耐高温和绝缘等级；

优选的，所述步骤3中确定配电变压器运行环境要求，包括计算配电变压器所在台区的全年平均负荷率、最大负荷和最大负荷增长率；

优选的，所述步骤3中配电变压器的性能指标包括：空载损耗、负载损耗、短路阻抗和过载能力；

优选的，所述步骤4中比较待设计配电变压器与不同类型配电变压器的全寿命周期成本LCC，限定其制造成本C，包括：

步骤4-1：构建优化所述设计方案的目标函数min(LCC,C-ω)；

其中，C为待设计配电变压器的制造成本，ω为与所述待设计配电变压器容量相同的标准配电变压器的总体制造成本；

步骤4-2：依据所述目标函数min(LCC,C-ω)的计算结果确定最优的设计方案，若所有设计方案的总体制造成本均相同，则分析每个设计方案的全寿命周期成本LCC中各成本对降低全寿命周期成本LCC的影响程度，选取影响程度最低的设计方案为最优设计方案；

优选的，所述步骤4-2中全寿命周期成本LCC，包括：配电变压器的运行成本C_CO，配电变压器的检修维护成本C_CM，配电变压器的故障成本C_CF和变压器的退役处置成本C_CD；

优选的，所述步骤4中确定最优的设计方案的限制条件，具体为：

配电变压器的成本限制条件：(C-ω)/ω＜a；

配电变压器的过载限制条件：

配电变压器所在台区的运行环境限制条件包括：全年平均负荷率β＜c，最大负荷P_max＜d，最大负荷增长率α＜e；

其中，所述S为配电变压器的额定容量，为配电变压器的功率因数，a、b、c、d和e均为阈值；

优选的，所述步骤4中限定其制造成本C，包括：

计算与待设计配电变压器相同容量的标准配电变压器的制造成本C₁和全寿命周期成本LCC₁，以及计算与待设计配电变压器相同过载能力的标准配电变压器的制造成本C₂和全寿命周期成本LCC₂；

将待设计配电变压器的全寿命周期成本LCC分别与全寿命周期成本LCC₁和全寿命周期成本LCC₂进行比较，从而确定待设计配电变压器制造成本C的取值范围。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

本发明提供的一种配电变压器的设计方法，参照具有相同过载能力的配电变压器的制造成本，限制待设计配电变压器的全寿命周期成本增加，建立了基于配电变压器全寿命周期成本的优化模型，同时对各个部分成本进行灵敏度分析，提高待设计配电变压器的技术经济性。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种配电变压器的设计方法流程图；

图2：本发明实施例中高过载配电变压器温升试验施加的电流过程曲线；

图3：本发明实施例中高过载配电变压器的设计原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种配电变压器的设计方法，基于电网台区的负荷特性，制定了配电变压器的过载性能验证方案；基于成本约束，建立配电变压器的全寿命周期成本分析模型，从而确定配电变压器的最优设计方案，如图1、图3所示，所述配电变压器的设计方法为：

1、配置待设计配电变压器的设计方案。

本实施例中包括三种设计方案，每种设计方案由不同的设计法组成。其中，

第一设计方案，指的是同时采用第一设计法和第二设计法提升配电变压器的过载能力。

第二设计方案，指的是同时采用第一设计法、第二设计法和第三设计法提升配电变压器的过载能力，

第三设计方案，指的是同时采用第一设计法、第二设计法、第三设计法和第四设计法提升配电变压器的过载能力。

其中，

所述四种设计法为：

①、第一设计法，指的是调整配电变压器内部的油道数量。

例如，增加配变内部油道数量，即增大变压器高、低压绕组散热面积，间接增加了配变的体积，增加成本为变压器油和铁材料。

②、第二设计法，指的是调整配电变压器外部的散热面积。

例如，增加了配变的散热片面积，间接增加了配变的体积和重量，增加成本为变压器油和铁材料。

③、第三设计法，指的是改变配电变压器中各部分的绝缘材料类型，以提高配电变压器的绝缘耐热等级；

例如，提高线圈、器身等部位的材料绝缘耐热等级，常规配电变压器采用A级绝缘耐热材料，增加成本主要体现在绝缘材料。

④、第四设计法，指的是为改变配电变压器中变压器油的类型，以提变压器油的耐高温和绝缘等级。

例如，采用耐高温绝缘油，油闪点和燃点都大于150℃，增加成本为变压器油。

本实施例中，提高配电变压器内部的绝缘耐热等级，主要有两种方案：

一种是绕组及变压器器身绝缘材料按其不同部位的温度选用不同的绝缘材料，控制绕组热点温度。具体为，线圈采用半混合绝缘结构，器身最热点温度部位层间绝缘采用F级绝缘材料，导线采用F级绝缘漆包线；

另一种是在常规配变结构设计的基础上，采用F级均匀高温绝缘系统提高配电变压器的过载能力，所用材料均为F级绝缘材料，耐温高于150℃。

综上，本实施例中配电变压器的设计方案表1所示：

表1

本发明实施例中采用温升试验检测配电变压器的过载性能，如图2所示，通过施加不同电流监测配电变压器各部分的最大温升，从而对比绝缘材料耐热性能，确保配电变压器的过载性能。其中，不同绝缘耐热等级的温升限值如表2所示：

表2

名称	A级绝缘	B级绝缘	F级绝缘
				顶层油(K)	60	80	100
绕组(平均)(K)	65	85	100
				绕组(热点)(K)	75	95	110
铁心、油箱及结构表面(K)	60	80	100

2、确定待设计配电变压器运行环境要求。

调研与待设计配电变压器具有相同容量的配电变压器的运行情况，分析待设计配电变压器所在台区的负荷特性，包括计算台区的全年平均负荷率、最大负荷和最大负荷增长率。

3、确定每种设计方案中配电变压器的制造成本C和性能指标；

(1)制造成本

包括配电变压器铁的心、散热片面积、高压导线、低压导线、绝缘材料、变压器油、夹件、邮箱、组件及工艺水平的成本。

(2)性能指标

包括配电变压器的空载损耗、负载损耗、短路阻抗和过载能力

4、分析每个设计方案的全寿命周期成本LCC，确定最优的设计方案。

(1)建立配电变压器全寿命周期成本模型，剖析配电变压器全寿命周期LCC内各个部分成本，进行灵敏度分析，分析影响配电变压器的经济性与全寿命周期LCC的关系。

配电变压器设计方案的全寿命周期成本LCC的计算公式为：

LCC＝C_CI+C_CO+C_CM+C_CF+C_CD (1)

其中，C_CI为配电变压器的初始投资成本；C_CO为配电变压器的运行成本，其计算公式为：

C_CM为配电变压器的检修维护成本，其计算公式为：

C_CF为配电变压器的故障成本，其计算公式为：

C_CD为变压器的退役处置成本，其计算公式为：

其中，C_co为配电变压器每年的运行成本，C_xx为配电变压器单次小检修费用，C_dx为配电变压器单次大检修费用，C_cf为配电变压器每年故障损失成本，C_cd为配电变压器折算前的退役处置成本，T为配电变压器的运行年限，U为配电变压器的大检修次数，r为通货膨胀率，R为社会折现率。

配电变压器单次小检修，指的是维护性检修，检修周期为1年1次，单次检修费用约占配电变压器制造成本的1.5％。

配电变压器单次大检修，指的是全面检测，检修周期为5年1次，单次检修费用约占配电变压器成本的6％。

(2)配电变压器设计方案的全寿命周期成本分析

包括计算全寿命周期成本LCC中各成本的灵敏度指数，对灵敏度指数进行分析，确定对全寿命周期成本影响最大的成本类型；灵敏度指数包括：

初始投资成本C_CI的灵敏度指数

运行成本C_co的灵敏度指数

检修费用C_xx的灵敏度指数

检修费用C_dx的灵敏度指数

故障损失成本C_cf的灵敏度指数

退役处置成本C_cd的灵敏度指数

(3)本实施例中以高过载配变、同容量常规配变和1.5倍容量常规配变为例进行全寿命周期成本LCC分析。例如，配电变压器型号为硅钢S11，容量为100kVA，使用寿命为20年。设备购置价格来自设备厂家的报价，损耗参数由变压器的铭牌可得，事故率、障碍率和缺陷率取相同数据，则可以确定其灵敏度指数为：

从各部分成本的灵敏度指数可以看出，变压器全寿命周期成本LCC对每年的运行成本、单次小检修费用以及每年故障损失成本反映较为灵敏，LCC将随着以上3个参数的变化发生较大的变化。由于10kV配变维修费用和故障费用基本相同，所以运行成本对变压器LCC具有极大的影响，而运行成本主要是由能耗成本组成，较低能耗成本是减少变压器LCC的一个关键措施，而配变能耗成本与负荷特性指标关系较大。

5、比较不同类型配电变压器的全寿命周期成本LCC，限定待设计配电变压器的制造成本C，本实施例中制造成本也可以为采购成本，具体为：

(1)计算与待设计配电变压器相同容量的标准配电变压器的制造成本C₁和全寿命周期成本LCC₁，以及计算与待设计配电变压器相同过载能力的标准配电变压器的制造成本C₂和全寿命周期成本LCC₂。

(2)将待设计配电变压器的全寿命周期成本LCC分别与全寿命周期成本LCC₁和全寿命周期成本LCC₂进行比较，从而确定待设计配电变压器制造成本C的取值范围。以A、B、C三种方案为例，C_A为待设计配电变压器的制造成本，C_B为同容量的标准配电变压器的制造成本，C_C为同过载能力的标准配电变压器的制造成本，若LCC_A<LCC_B且LCC_A<LCC_C，从而依据制造陈本C_B和制造成本C_C限制成本C_A。

实施例：

台区负荷特性指标1：全年平均负荷率β＝20％，最大负荷为P_max＝80kW，最大负荷增长率α＝3％。台区负荷特性指标2：全年平均负荷率为β＝25％，最大负荷为P_max＝68kW，前10年最大负荷增长率为α＝5％，后10年最大负荷保持稳定。不同类型配电变压器的全寿命周期成本计算结果如表3所示：

表3

两种负荷特性指标在目标年最大负荷分别达到140.28kW和136.52kW，采用常规100kVA配变过载达到1.5倍，根据配变风险评估，配变故障概率达到额定情况下的9.8倍。具体为：

负荷特性指标1：在前15年，最大负荷小于额定容量的1.5倍，后5年最大负荷大于额定容量的1.5倍；负荷特性指标2：前10年，最大负荷小于额定容量的1.5倍，后10年最大负荷大于1.5倍。

对于负荷特性指标1，高过载配变的购置价格可由式(8)得出：

1.27C+38674.22<65456.94 (8)

C<21088.76元

对于负荷特性指标2，容量为100kVA的配变能耗费用远大于160kVA，且过载风险导致配变故障损失费用也较高，此类负荷特性指标适用于采用大容量的配变，而高过载配变购置价格若低于20492.31元，仍是最优的，具体见式(9)。

1.27C+40024.35<66049.59 (9)

C<20492.31元

对负荷特性指标2，若全年平均负荷率为0.3，其余条件不变，则可得y<18194.4元。

(3)确定最优的设计方案。

①、构建优化设计方案的目标函数min(LCC,C-ω)；

其中，C为待设计配电变压器的制造成本，ω为与待设计配电变压器容量相同的标准配电变压器的制造成本。

若采用第一设计方案，则配电变压器增加的成本主要为增加变压器内、外散热面积的成本：高压绕组散热面积增加值g₁、低压绕组散热面积增加值d₁、外散热片增加面积w₁，增加绝缘材料j₁，总计C-ω＝g₁+d₁+w₁+j₁；

同理可得，第二设计方案增加的成本为C-ω＝g₂+d₂+w₂+j₂，第三设计方案增加的成本为C-ω＝g₃+d₃+w₃+j₃。待设计配变变压器与标准配电变压器的差异如表4所示，即本实施例中高过载配变与常规配变的差异为：

表4

②、依据目标函数min(LCC,C-ω)的计算结果确定最优的设计方案，若所有设计方案的总体制造成本均相同，则分析每个设计方案的全寿命周期成本LCC中各成本对降低全寿命周期成本LCC的影响程度，选取影响程度最低的设计方案为最优设计方案。

本实施例中，在保证配电变压器性能的基础上，第一设计方案与同过载性能的常规配变基本相同，但导线截面小于常规配变，过载运行时导线发热量较大，将加速导线老化速度。假设三种设计方案投资相同，则第一设计方案的体积和重量都将大于第二设计方案和第三设计方案，与大容量配变无异，配变安装维护费用也将有所增加,不利于降低成本。因此，高过载配变设计方案采用第二设计方案或者第三设计方案。

③、确定最优的设计方案的限制条件，具体为：

配电变压器的成本限制条件：(C-ω)/ω＜a；

配电变压器的过载限制条件：

配电变压器所在台区的运行环境限制条件包括：全年平均负荷率β＜c，最大负荷P_max＜d，最大负荷增长率α＜e；

其中，S为配电变压器的额定容量，为配电变压器的功率因数，a、b、c、d和e均为阈值。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种配电变压器的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：配置待设计配电变压器的设计方案；

步骤2：确定所述待设计配电变压器运行环境要求；

步骤3：确定每种设计方案中配电变压器的制造成本C和性能指标；

步骤4：比较待设计配电变压器与不同类型配电变压器的全寿命周期成本LCC，限定其制造成本C；

所述步骤4中比较待设计配电变压器与不同类型配电变压器的全寿命周期成本LCC，限定其制造成本C，包括：

步骤4-1：构建优化所述设计方案的目标函数min(LCC,C-ω)；

其中，C为待设计配电变压器的制造成本，ω为与所述待设计配电变压器容量相同的标准配电变压器的总体制造成本；

步骤4-2：依据所述目标函数min(LCC,C-ω)的计算结果确定最优的设计方案，若所有设计方案的总体制造成本均相同，则分析每个设计方案的全寿命周期成本LCC中各成本对降低全寿命周期成本LCC的影响程度，选取影响程度最低的设计方案为最优设计方案；

所述步骤4中确定最优的设计方案的限制条件，具体为：

配电变压器的成本限制条件：(C-ω)/ω＜a；

配电变压器的过载限制条件：

配电变压器所在台区的运行环境限制条件包括：全年平均负荷率β＜c，最大负荷P_max＜d，最大负荷增长率α＜e；

其中，所述S为配电变压器的额定容量，为配电变压器的功率因数，a、b、c、d和e均为阈值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的设计方案为以下三种设计方案之一：

第一设计方案，同时采用第一设计法和第二设计法提升所述配电变压器的过载能力；

第二设计方案，同时采用第一设计法、第二设计法和第三设计法提升所述配电变压器的过载能力；

第三设计方案，同时采用第一设计法、第二设计法、第三设计法和第四设计法提升所述配电变压器的过载能力。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述第一设计法，为调整所述配电变压器内部的油道数量；

所述第二设计法，为调整所述配电变压器外部的散热面积；

所述第三设计法，为改变所述配电变压器中各部分的材料类型，以提高配电变压器的绝缘耐热等级；

所述第四设计法，为改变所述配电变压器中变压器油的类型，以提高变压器油的耐高温和绝缘等级。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中确定配电变压器运行环境要求，包括计算配电变压器所在台区的全年平均负荷率、最大负荷和最大负荷增长率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中配电变压器的性能指标包括：空载损耗、负载损耗、短路阻抗和过载能力。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4-2中全寿命周期成本LCC，包括：配电变压器的运行成本C_CO，配电变压器的检修维护成本C_CM，配电变压器的故障成本C_CF和变压器的退役处置成本C_CD。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中限定其制造成本C，包括：

计算与待设计配电变压器相同容量的标准配电变压器的制造成本C₁和全寿命周期成本LCC₁，以及计算与待设计配电变压器相同过载能力的标准配电变压器的制造成本C₂和全寿命周期成本LCC₂；

将待设计配电变压器的全寿命周期成本LCC分别与全寿命周期成本LCC₁和全寿命周期成本LCC₂进行比较，从而确定待设计配电变压器制造成本C的取值范围。