节能型路灯专用变压器的选择

摘 要：随着城市的快速发展，路灯专用变压器得到广泛的运用。该文从节能的角度出发，通过对变压器容量的计算和型号的选择两个方面进行论述，建立了一套较完善的路灯变压器选择系统。

关键词：变压器容量 总拥有费用法

1.路灯专用变压器的作用。

路灯专用变压器（以下简称路灯专变）在路灯系统中，是长期不受关注的电气元件。据调查，我国县级城市路灯专变安装使用率不足30%,许多人认为，多一个变压器就多一份工程预算，有了市网变压器，路灯专用变压器就可有可无。这种想法是错误的，路灯专变在路灯系统中起着重要作用。

第一，目前，路灯系统中常用的HID高压气体放电灯是非线性负载，它在工作中会产生大量浪涌脉冲和谐波，污染电网，使电力品质下降。因此，安装路灯专变，局部重组电网结构，可以有效的分离或隔离产生电力污染的这些设备，减小对电网的污染。

第二，现在城市市电由于负荷变化较大，电压波动显著，在后半夜，由于负荷减轻，电压显著升高，通常可升高10V~30V,提高了路灯节能器、镇流器、灯管等的损坏率。安装了路灯专变后，我们可以方便的对局部电网电压进行管理和控制，将路灯专变低压侧输出电压稳定在210~220V之间，保护后续元件。

第三，可以通过安装智能节电器，浪涌控制元件，多重波技术，有效抑制电网电路中的浪涌瞬变，滤除高频谐波，提高灯具运行效率，延长灯具使用寿命，达到节电和保护灯具的双重功能。

一台路灯专变的成本在整个路灯系统预算中的比例仅为5%左右，但其在节能方面的收益和对路灯元件的保护所产生的效益，远远大于它的投资。所以，路灯专变是路灯系统中不可缺少的电气元件之一。

如何选择节能型变压器呢，下面主要从容量、型号两个方面进行探讨。

2.容量的计算。

路灯系统开启后，气体放电灯启动电流较大，同时率为1,产生较大瞬变浪涌，冲击路灯专变。路灯进入稳定状态后，电网中路灯电流稳定在工作电流，变化不大，趋于恒定。

稳定工作时，视在功率S1可以用容量法计算：

S1=√P2+Q2

P=P0+Pf=P0+I02Rcosj1

S=P/cosj2 ⑴

⑴式中，P-有功功率（k W）；Q-无功功率（kvar）；P0-额定功率；Pf-有功损耗；I0-工作电流；R-电弧管阻抗；cosj1-电弧管功率因数；

cosj2-电容补偿后功率因素。

举例说明：某路灯所要安装高压钠灯NG250,100盏，工作电流3A,阻抗值60Ω，功率因素0.075.高压钠灯NG150,100盏，工作电流1.8A,阻抗值90Ω，功率因素0.075.两种灯均使用电感镇流器，电容补偿后功率因素cosj为0.9.请计算所用变压器容量。

250W钠灯有功损耗为P250=I2502R250cosj=32×60×0.075=40.5W

150W钠灯有功损耗为P150=I1502R150cosj=1.82×90×0.075=21.87W

100盏250W钠灯有功功率为P250=（250+40.5）×100/1000=29.05KW

100盏250W钠灯视在功率为S250=P250/cosj=29.05/0.9=32.278 KVA

100盏250W钠灯无功功率为Q250=√S2502-P2502=14.07kvar

100盏150W钠灯有功功率为P150=（150+21.87）×100/1000=17.187 KW

100盏150W钠灯视在功率为S150=P150/cosj=17.187/0.9=19.1 KVA

100盏150W钠灯无功功率为Q150=√S1502-P1502=8.33kvar

总的视在功率S1=√（P250+P150）2+（Q250+Q150）2=51.377KVA

参照城市道路照明设计标准CJJ45-2006,配电变压器的负载率β不宜大于70%.若以70%为负载率，变压器容量为

S=S1/β=51.377/0.7=73.396 KVA,即此例宜采用80KVA型变压器。

在无补偿电容的电感镇流器系统中，功率因素cosj较低，约为0.42,在实际工程中，可以使用电流法简化计算，直接采用气体放电灯的工作电流值计算总的视在功率S1.以上例计算：

S1=220×（100×3+100×1.8）/1000=105.6KVA

S=S1/β=150.86 KVA,即采用160KVA型变压器。

此种电流计算法与使用功率因素cosj的容量法计算结果相近（其值为110.08 KVA），误差较小，可忽略。

在功率因数较高（接近为1）的系统中，如使用电子镇流器，高频无极灯等，无功损耗非常小，在工程计算中，可忽略。视在功率=有功功率=额定功率+有功损耗。则上例可计算为：

S1=P250+P150=46.237KVA

S=S1/β=66.1 KVA,即采用80KVA型变压器。

通过以上分析，在计算路灯负载时，功率因素cosj是非常重要的。功率因素高，可大大减少无功损耗，减小所选变压器容量。同时，选取适当的负载率（50%-70%之间），可避免瞬时浪涌对变压器的过载，也可使变压器运行在最佳负载率范围内。

3.型号的选择。

在选择变压器型号时，我们可以通过总拥有费用（TOC）法的计算来进行分析，计算出变压器的初始费用和将来支付的损耗费用之和，对各种型号做出准确评价。

TOC的计算公式：

TOC=C+A×NL+B×LL ⑵

⑵ 式中， N L- 变压器额定空载损耗或铁损（kW）；LL-变压器额定负载损耗或铜损（kW）；A-变压器寿命期间空载损耗每千瓦的资本费用（元/kW）；B-变压器寿命期间负载损耗每千瓦的资本费用（元/kW）；C-变压器初始费用，方案对比时可用其设备价格（元）。

空载损耗 NL=P0+kQ0=P0+k×（I0%×Se/100）

负载损耗 LL=Pf+kQf=Pf+k×（Ud%×Se/100） ⑶

⑶式中 P0-变压器额定空载有功损耗，即铁损（kW）；

Q0-变压器额定励磁功率（kvar）；

Pf-变压器额定负载有功损耗，即铜损（kW）；

Qf-变压器额定负载漏磁功率（kvar）；

k-无功经济当量，按变压器在电网中的位置取值，一般可取k=0.1kW/kvar;

I0%-变压器空载电流（%）；

Ud%-变压器阻抗电压（%）；

Se-变压器额定容量（kVA）。

A=kPW×（EJL×12+EL×hPY），元/kW

B=kPW×（EJL×12+EL×τ） ×β2,元/kW ⑷

⑷式中，kPW-现值系数={1-[（1+a）/（1+i）]n}/（i-a），（式中变压器使用期n年，年利率i,年通货膨胀率a.）

EJL-两部制电价中的基本电费（元/kW?月）；

EL-两部制电价中的电量电费（元/kW?h）；

hPY-年运行小时数，一般取8760h;

τ-年最大负载损耗小时数，可通过附表1查找，也可用τ=Tm2×（cosjm/cosjav）2×（1/8760）计算。Tm-年最大负载利用小时数。

β-变压器负载率。

举例说明：某路灯所要选择一台100KVA变压器，可选型号为S9-M或SH15-M,功率因数为0.9,变压器负载率为β为70%.S9-M价格27000元，SH15-M价格为38000元。变压器使用期20年，年利率i为0.07,年通货膨胀率a为0,两部制电价中的基本电费为15元/kW?月， 两部制电价中的电量电费为0.6元/kW?h.

空载损耗S9=0.275+（0.1×0.0015×100）=0.29KW

负载损耗S9=1.1+（0.1×0.04×100）=1.5KW

空载损耗SH15=0.065+（0.1×0.001×100）=0.075KW

负载损耗SH15=1.1+（0.1×0.04×100）=1.5KW

kPW现值系数={1-[（1+0）/（1+0.07）]20}/（0.07-0）=10.59

τ年最大负载损耗小时数，Tm取3500h（每天约10h），功率因数为0.9,通过附表1查找，τ=2000h;

A=10.59×（15×12+0.6×8760）=57567.24

B=10.59×（15×12+0.6×2000）×0.72=7160.958

TOCS9=27000+0.29×A+1.5×B=54435.94元

TOCSH15=38000+0.075×A+1.5×B=53058.98元

通过以上计算可知，SH15型变压器总拥有费用低于S9型。因此，选择更加节能的路灯专变，虽然在初期投入更大一些，但从长远来看，它更经济、更环保。

4.总结。

附表1 τ与Tm的关系表

参考资料

[1]杜彩林 建筑电气的节能设计 电工技术 2006年 第08期 2-4页

[2]NEMA Guide for Determining Energy Efficiencyfor Distribution Transformer Standards Publication TP 1-1996.

[3]马晓光 孟伟 对选择配电变压器经济性计算方法的探讨 东北电力技术 2000年第9期 31-33页