变压器全寿命及其周期成本优化设计

李卓伦

摘要：目前，全寿命周期设计管理理念已在国家电网公司系统内全面推行，但是，变电站设备招标仍主要取决于设备报价。对变压器全寿命周期成本的分析得出，变压器的购置成本仅占全寿命周期成本的20%左右，而变压器的运行维护成本则占到80%左右。而因此建议在以后变电站设备的招标中，可以适当提高变压器的购置成本，优化变压器内部电气结构，降低变压器运行损耗，使变压器全寿命周期成本达到一个最优的结构。

关键词：变压器；全寿命周期成本（LCC:LifeCycleCost）；优化设计

1.成本控制的对象

对一次性投资（直接投资）的影响主要表现在设计方案中的结构方案和建筑材料的选择等。例如平面布置、进深与开间的确定、立面形式的选择、层高与层数的确定、基础类型选用、结构形式选择等都存在着技术经济分析的问题。据统计，在满足同样功能的条件下，技术经济合理的设计，可降低工程造价5%～10%，甚至可达20%。

2.变压器的全寿命周期成本优化设计

全寿命周期成本（LCC）是指产品在有效使用期内所发生的与该产品有关的所有成本，它包括产品设计成本、制造成本、采购成本、使用成本、维修保养成本、废弃处置成本等。

2.1变压器的全寿命周期成本分析

在变压器设备选型中，由变压器服务的电力系统和运行条件所决定的一些性能方面的技术参数，如负载损耗、短路阻抗、空载损耗、空载电流等，不仅与变压器的安全运行和经济运行有关，而且直接影响到制造成本。为了降低变压器的损耗，或从安全角度提出高于标准规定的参数或特殊要求（如声级水平、油箱强度、绝缘水平或高海拔）时，应考虑制造成本的增加。例如：某220kV变电站本期新上1台容量180MVA、三相三绕组、变比为230±8×1.25%/121/11kV、容量比为100/100/50的高阻抗变压器，阻抗电压分别为UK1-2=14%，UK1-3=52%，UK2-3=38%。经过对国内几家大型变压器厂家的大量数据调研后，提出对两种方案的变压器进行设备选型比较：

方案A：现在普遍应用的变压器常规模式，参数参照《国家电网公司物资采购标准》的技术规范书及国内几家大型变压器厂家应标的数据选取；

方案B：在现在普遍应用的变压器常规模式的基础上，增加了变压器的初始投资，提高了变压器部分零部件的使用寿命，同时降低了变压器的运行损耗。

2.2电力变压器全寿命周期成本建模

变压器全寿命周期成本管理基于可靠性及寿命管理，将设备的整个生命周期的全部成本，即设备从采购、安装、操作、维修报废的整个过程归结为成本的管理方法。该方法的目标是：在确保可靠性的基础上，使得设备的LCC降到最低。其核心内容是对全寿命周期中各环节的费用分别建模，将变压器在整个经济寿命周期内所消耗的总成本进行量化计算，以便给工程决策提供指导。

2.2.1初始投资成本CCI

变压器的初始投资成本是设备投产前的成本支出，将LCC更加全面化、精细化，将初始投资成本分为规划设计、采购建设、安装调试和其它费用。规划设计费用是分摊到变压器上的规划可研阶段成本；采购建设费用包括采购成本、建筑成本、备品备件、供应商和运输费用等。公式表示为CCI=Cgh+Ccg+Caz+Cqt，式中：Cgh为规划设计费用；Ccg为采购建设费用；Caz为安装调试费用；Cqt为其它费用。

2.2.2运行成本CO

运行损耗费用：变压器的年运行损耗成本主要为空载损耗及负载损耗。当三绕组变压器二次侧与三次侧绕组的负载按综合功率损耗率小于1.2%的经济分配时，变压器按60%负荷运行，损耗成本中的电价按0.5元/kwh计算，方案A和B的运行损耗成本折现值分别为3476.6万元和3067万元。巡视检查费用：220kV变电站为无人值守变电站，每年的巡视费用约5000元，两个方案30年的巡视检查费均为15万元。结合以上两项费用，方案A每年的运行成本为123.14万元，方案B每年的运行成本为108.69万元。

2.2.3处理成本CD

据调查分析，按照运行年限的不同，设备厂家将按不同的残值将设备回收。变压器运行年限为30年时，变压器的净残值率约为20%。方案A和B的可回收费用净现值分别为76.7万元和84.7万元。

2.2.4环境成本CCE

随着人类社会物质文化和经济的高速发展，环境问题日益严峻，已不容忽视。温室效应导致的全球气候变暖严重威胁着人类社会的可持续发展。据统计，一台220kV的变压器每消耗1kW•h电能将产生0.875千克CO2，而电力变压器的电磁辐射、噪声污染也会给周边环境和居民的正常生活带来一定危害。

通过对方案A和B的对比分析可知，在初次投入时适当的增加投资，改善影响变压器全寿命周期成本的关键因素，特别是降低变压器运行损耗可明显降低变压器全寿命周期成本。本文中初始投资方案B比方案A多出83.5万元，但是从运行的第7年开始，方案B的全寿命周期成本就开始低于方案A。同时，对于变压器的一些关键零部件，虽然使用更好的材料会增加部分全寿命周期内的投资，但是其增加值较之后的运行损耗费用来说非常小，且为变压器的安全稳定运行奠定了基础。

3.如何进行优化设计

在变压器全寿命周期内，优化设计方法集中运用在变压器设计计算和运行维护过程中。在变压器设计计算中，必须符合国家的经济、技术政策和资源情况以及制造和使用部门的要求，必须合理地制定性能参数和相应的主要几何尺寸。总地来说，变压器制造厂家和运行使用部门的目标应该是一致的，但由于考虑各自的利益，对某些要求也往往有所矛盾。例如：用户考虑的是变压器运行的经济性，强调变压器要损耗低、效率高，但大幅度降低损耗必然导致多消耗材料，从而提高制造成本。所以在进行变压器计算时，需要综合考虑各方面因素，如用户的负荷特性等，来确定其计算原则。同时计算全过程，应进行多方案比较，以便从中选取最佳方案。

在变压器运行维护过程中，主要的优化设计方法有：变压器间负载经济调整，调整负荷率和削峰填谷，调整变压器相间不平衡负载等。变压器损耗包括空载有功损耗、短路有功损耗、空载无功损耗、短路无功损耗等4个参数。将变压器损耗与线路损耗相结合，推导变压器的最佳负载率，从而达到优化变压器运行成本的目的。

3.1变压器间负载经济调整

变压器分列运行时，应合理分配变压器间负载，使变压器总的综合功率损耗最小。双绕组和三绕组变压器综合功率的负载经济分配系数分别按下式计算，式中r代表第r台变压器：

这样的优化设计，一方面降低了变压器的负载损耗率，提高了变压器的有效功率，充分发挥了其性能；另一方面降低了维护和施工难度，节约了大量的维护成本，提高了经济效益，具有很高的战略意义。

4.结束语：

本文基于变压器的风险评估结果，从变压器的全寿命周期出发，提出了年均费用最小的变压器经济性分析模型及最佳优化设计方案。将经济合理、技术先进作为变压器最佳优化设计方案的经济学原则，通过对变压器经济寿命的分析与年费用最小值的比较，确定了变压器的最佳优化设计方案。

参考文献：

[1]谢毓城等.电力变压器手册[M].保定天威保变电气股份有限公司,2003.

[2]张镱议.基于运行状态和寿命评估的电力变压器全寿命周期检修决策研究[D].重庆大学,2014.

[3]解添天.基于全寿命周期理论的配电工程投资决策分析及其应用[D].华北电力大学,2014.

[4]韩彪.基于盲数理论的变压器寿命评估[D].华北电力大学,2014.

[5]刘传彝等.电力变压器设计计算方法与实践[M].辽宁科学技术出版社,2002.

[6]GB/T13462-2008,电力变压器经济运行[S].