配電變壓器性能參數(shù)選擇分析

崔亞瓊

配電變壓器性能參數(shù)選擇分析

崔亞瓊

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021)

本文簡(jiǎn)要介紹了選擇配電變壓器容易忽視或不被重視的幾個(gè)問(wèn)題，闡述了變壓器繞組接線(xiàn)組別、阻抗電壓及備用容量選擇考慮不周產(chǎn)生的影響及帶來(lái)的危害；同時(shí)給出了不同接線(xiàn)組別的優(yōu)缺點(diǎn)、阻抗電壓取值應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素以及一、二級(jí)負(fù)荷變壓器備用容量選擇方法；并且明確了選擇中的注意事項(xiàng)。論點(diǎn)清晰明了，可供同行在設(shè)計(jì)中參考。

變壓器；接線(xiàn)組別；阻抗電壓；備用容量；過(guò)載能力

配電變壓器通常是指運(yùn)行在配電網(wǎng)中電壓等級(jí)為10～35kV、容量為6300kVA及以下直接向終端用戶(hù)供電的電力變壓器。配電變壓器選擇是工程電氣設(shè)計(jì)中不可缺少的設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，選擇不當(dāng)會(huì)影響用電設(shè)備電壓質(zhì)量和正常運(yùn)行，造成損耗增大，成本和運(yùn)行費(fèi)用增加，壽命縮短，甚至燒毀設(shè)備，引起火災(zāi)等嚴(yán)重事故。因此，合理選擇變壓器在電氣設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。而變壓器繞組接線(xiàn)組別、阻抗電壓和備用容量選擇往往容易被忽視或不被重視。

1 配電變壓器繞組接線(xiàn)組別選擇

配電變壓器常用的接線(xiàn)組別有2種，即Y，yn0和D，yn11。1953年以來(lái)的40多年里，我國(guó)中壓和低壓配電網(wǎng)的10(6)/0.4kV變壓器幾乎全部采用Y，yn0接線(xiàn)組別?！豆┡潆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50052-95)規(guī)定在TN及TT系統(tǒng)接地型式的低壓電網(wǎng)中，宜選用D，yn11接線(xiàn)組別配電變壓器，文獻(xiàn)［1］中又規(guī)定在低壓電網(wǎng)中宜選用D，yn11接線(xiàn)組別配電變壓器。自國(guó)標(biāo)提出此要求，至今已有20多年的時(shí)間了，可是還有不少人仍在選用Y，yn0接線(xiàn)組別的配電變壓器。究其原因，主要是大家對(duì)這2種接線(xiàn)組別的優(yōu)缺點(diǎn)不甚了解。那么到底如何選擇配電變壓器繞組接線(xiàn)組別、2者又有何區(qū)別呢？這需要從以下幾個(gè)方面考慮。

(1)變壓器適應(yīng)三相負(fù)荷不平衡的能力。三相負(fù)荷不平衡時(shí)，Y，yn0接線(xiàn)變壓器會(huì)引起中性點(diǎn)電壓偏移，進(jìn)而引起三相電壓的不平衡，影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至燒毀設(shè)備；而D，yn11變壓器允許中性線(xiàn)電流達(dá)到相電流的75%以上，承受不平衡負(fù)荷的能力遠(yuǎn)比Y，yn0變壓器大。

(2)抑制3n次諧波的能力。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電力電子技術(shù)(整流管、晶閘管、IGBT、IGCT)廣泛應(yīng)用，非線(xiàn)性負(fù)荷的數(shù)量與日俱增，這些諧波源產(chǎn)生的諧波電流注入電力系統(tǒng)，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，構(gòu)成了電力系統(tǒng)運(yùn)行安全隱患，降低了電壓質(zhì)量。例如可能造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，危及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；引起計(jì)量裝置誤差，降低其準(zhǔn)確性；對(duì)通信設(shè)備及弱電造成干擾；增加電機(jī)損耗，加速絕緣老化；增加輸電線(xiàn)路附加損耗等。Y，yn0接線(xiàn)變壓器不能抑制3n次諧波；而D，yn11接線(xiàn)變壓器可以較好地抑制3n次諧波，減輕系統(tǒng)諧波危害，提高了電壓質(zhì)量。

(3)對(duì)低壓側(cè)單相接地故障切除的影響。文獻(xiàn)［2］及其他相關(guān)規(guī)范均要求低壓側(cè)單相接地故障時(shí)能迅速切斷故障回路，以防止電氣火災(zāi)和間接接觸電擊事故發(fā)生。Y，yn0變壓器低壓側(cè)單相接地故障時(shí)的短路電流小，往往造成繼電保護(hù)或低壓開(kāi)關(guān)脫扣器無(wú)法動(dòng)作，不能迅速甚至不能切除故障回路。而D，yn11變壓器零序阻抗小，可以提高低壓側(cè)單相接地故障電流，相應(yīng)提高了繼電保護(hù)或低壓開(kāi)關(guān)脫扣器動(dòng)作電流，有利于單相接地故障的切除。

綜上所述，低壓電網(wǎng)中應(yīng)該選用D，yn11變壓器。只有負(fù)荷基本平衡，低壓中性線(xiàn)電流不超過(guò)低壓繞組額定電流的25%時(shí)(如要考慮電壓的對(duì)稱(chēng)性(例如為了照明供電)，則中性點(diǎn)的連續(xù)負(fù)載應(yīng)不超過(guò)10%額定電流時(shí))或供電系統(tǒng)中諧波干擾不嚴(yán)重時(shí)，才可以選用Y，yn0變壓器。但是需要注意的是，并不是所有情況都可以選擇D，yn11變壓器。例如，當(dāng)原有舊工程改造時(shí)，如果新?lián)Q變壓器需要與原來(lái)Y，yn0變壓器并列運(yùn)行，新?lián)Q變壓器應(yīng)采用原來(lái)的接線(xiàn)組別，否則2臺(tái)變壓器之間存在相角差，無(wú)法并列運(yùn)行。

2 配電變壓器阻抗電壓選擇

阻抗電壓是變壓器最主要的參數(shù)之一，合理選擇變壓器的阻抗電壓，關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和正常運(yùn)行。多數(shù)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中都采用標(biāo)準(zhǔn)值，而不去深究阻抗電壓涉及的各方面因素。其實(shí)，變壓器阻抗電壓也是需要根據(jù)系統(tǒng)電壓偏差和波動(dòng)以及較大容量變壓器限制低壓短路電流等要求計(jì)算確定的，具體主要應(yīng)考慮以下幾方面的因素。

(1)對(duì)高壓側(cè)熔斷器熔體電流選擇的影響。高壓熔斷器最小開(kāi)斷電流一般為熔體額定電流的3～5倍，甚至更高。為確保變壓器低壓繞組和低壓出線(xiàn)短路時(shí)，高壓熔體能可靠熔斷，就需要提高低壓側(cè)短路時(shí)折算到高壓側(cè)的短路電流，使高壓熔斷器起到可靠的保護(hù)作用。特別是35/0.4kV的變壓器，低壓側(cè)短路時(shí)，折算到高壓側(cè)熔斷器安裝處的電流值要比低壓側(cè)低87.5倍。對(duì)于小容量變壓器，阻抗電壓越大，內(nèi)部阻抗越大，導(dǎo)致低壓側(cè)短路電流越小，折算到高壓側(cè)的短路電流不足以使高壓熔斷器熔斷，造成高壓熔斷器保護(hù)不了變壓器，從而引發(fā)嚴(yán)重事故。此時(shí)希望阻抗電壓越小越好(南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程邯邢段125kVA及以下容量的變壓器就采用了低于標(biāo)準(zhǔn)值(6%)的阻抗電壓(4%))。

(2)對(duì)成本、電壓質(zhì)量及電機(jī)類(lèi)負(fù)荷的影響。同容量的變壓器，阻抗電壓小的成本低(內(nèi)部損耗低)，變壓器內(nèi)部電壓降也小，電壓質(zhì)量容易得到控制和保證，對(duì)于提高低壓側(cè)電壓，特別是對(duì)電機(jī)類(lèi)負(fù)載的起動(dòng)電壓有利。變壓器阻抗電壓高，電機(jī)類(lèi)負(fù)荷起動(dòng)時(shí)，變壓器內(nèi)部電壓降大，母線(xiàn)電壓和電機(jī)端子電壓降也相應(yīng)增大，造成起動(dòng)困難，甚至導(dǎo)致電壓過(guò)低，電機(jī)起動(dòng)不起來(lái)，為保證電機(jī)順利起動(dòng)而不得不增大變壓器容量或采取降壓措施。從這個(gè)角度，希望阻抗電壓越小越好。

(3)對(duì)設(shè)備和導(dǎo)體選型的影響。變壓器阻抗電壓越小，變壓器低壓側(cè)短路電流越大，有可能超過(guò)低壓開(kāi)關(guān)切斷短路電流的能力，需要加大低壓開(kāi)關(guān)的斷流容量和導(dǎo)體截面，造成投資費(fèi)用增加。短路電流大到一定程度，甚至選不出合適的設(shè)備。從這個(gè)角度考慮，希望阻抗電壓越大越好。

綜上所述，阻抗電壓選擇所應(yīng)考慮的各方面因素是相互矛盾相互制約的，具體取值應(yīng)在綜合考慮以上幾個(gè)方面因素的基礎(chǔ)上具體計(jì)算得出。近年來(lái)大容量的斷路器和低壓限流斷路器的廣泛應(yīng)用為降低變壓器阻抗電壓提供了有利條件，但是對(duì)于較大容量的配電變壓器(例如1600kVA及以上)，還是應(yīng)該注意根據(jù)限制短路電流的要求計(jì)算取值。

3 配電變壓器容量選擇

各種設(shè)計(jì)手冊(cè)中關(guān)于變壓器容量選擇已經(jīng)描述的很清楚了，此處需要闡述的是給一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷供電的變壓器容量選擇。根據(jù)規(guī)程規(guī)范，一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷需要2路電源供電，變壓器也應(yīng)設(shè)置2臺(tái)，單臺(tái)容量應(yīng)滿(mǎn)足全部一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷需要。于是，不少設(shè)計(jì)人員，就會(huì)根據(jù)計(jì)算負(fù)荷，選擇大于總計(jì)算負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)容量作為2臺(tái)變壓器總?cè)萘?。這樣做的結(jié)果，勢(shì)必導(dǎo)致正常運(yùn)行時(shí)，變壓器負(fù)荷率太低(＜50%)，造成資源浪費(fèi)和運(yùn)行成本增加。向電力部門(mén)申請(qǐng)用電時(shí)，電力部門(mén)均按照變壓器總?cè)萘繉?duì)待，正常運(yùn)行時(shí)雖然只用到一路電源和2臺(tái)變壓器總?cè)萘恳话胍韵碌娜萘?，但是，由于另一路電源時(shí)刻準(zhǔn)備作為工作電源的備用，所以電力部門(mén)已經(jīng)預(yù)留出了其備用投入時(shí)的容量，此部分容量不允許其他用戶(hù)再使用，故投入運(yùn)行之前用戶(hù)就需要一次性給電力部門(mén)交付高供電可靠費(fèi)用；在工程運(yùn)行中，除繳納正常計(jì)量的電費(fèi)外，每kVA備用容量每月還應(yīng)繳納一定的費(fèi)用，同時(shí)變壓器負(fù)載率過(guò)低時(shí)，變壓器損耗也會(huì)增加。而且變壓器故障的幾率非常小，備用容量很可能根本用不到或是即便用到了，也是短時(shí)間的。因此，采用這種方法選擇變壓器容量，既浪費(fèi)了電力資源，又增加了用戶(hù)的各種費(fèi)用和運(yùn)行成本，不符合節(jié)能要求。

對(duì)于這種情況，單臺(tái)變壓器最好在60%～70%總計(jì)算負(fù)荷之間選擇標(biāo)準(zhǔn)容量，即保證正常運(yùn)行時(shí)，變壓器負(fù)載率為60%～70%。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，此時(shí)變壓器損耗最小，運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。1臺(tái)變壓器短時(shí)故障時(shí)，可以充分利用變壓器的過(guò)載特性承擔(dān)全部一、二級(jí)負(fù)荷。對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷干式變壓器，只要運(yùn)行環(huán)境良好，其過(guò)負(fù)荷能力可以達(dá)到50%，且能夠較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，完全可以滿(mǎn)足1臺(tái)變壓器短時(shí)間故障時(shí)全部負(fù)荷的供電要求。而且，工程負(fù)荷均有峰谷，不是一直都運(yùn)行在滿(mǎn)負(fù)荷。其他型式的變壓器也均有一定的過(guò)載能力，采用上述方法選擇變壓器容量均能夠滿(mǎn)足工程一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷用電要求。特別是峰谷負(fù)荷明顯或斷續(xù)運(yùn)行負(fù)荷較多的工程，更適合采用上述方法選擇變壓器容量，以達(dá)到節(jié)能降耗和節(jié)約成本的目的。

但是，按照上述方法選擇一、二級(jí)負(fù)荷變壓器備用容量時(shí)，有一點(diǎn)必須注意，即變壓器低壓出線(xiàn)設(shè)備和導(dǎo)體要按照全部計(jì)算負(fù)荷電流選擇，不能按照變壓器容量選擇，這一點(diǎn)往往容易忽視而造成事故。

4 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，影響用電設(shè)備電壓質(zhì)量，而且造成一次性投入和運(yùn)行費(fèi)用的增加。所以希望設(shè)計(jì)人員一定要全面考慮變壓器選擇應(yīng)該考慮的各種因素，確保電力系統(tǒng)及用電設(shè)備安全穩(wěn)定并經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

［1］GB50052-2009.供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JGJ 16-2008.民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB50053-2013.20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB50053-2013.35～110kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］GB/T6451-1995.三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求［S］.

［6］GB/T16228-1997.干式變壓器技術(shù)參數(shù)和要求［S］.

［7］水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1989.

［8］水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［9］中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［10］鮑舒眉，劉長(zhǎng)義，余珊珊.配電變壓器采用D，yn11接線(xiàn)分析［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，3(03)：47-49.

［11］王繼明，邱麗琴，劉建平，等.變壓器阻抗電壓的合理選擇及經(jīng)濟(jì)性研究［J］.冶金動(dòng)力，2002(05)：1-3.

配電變壓器是非常重要的電氣設(shè)備，其性能參數(shù)的選擇至關(guān)重要。大家往往更注重一些常規(guī)性能參數(shù)的選擇，而常常忽視或者不夠重視接線(xiàn)組別、阻抗電壓和備用容量選擇。通過(guò)上面的描述可以看出，上述幾方面的性能參數(shù)選擇不當(dāng)很可能會(huì)危及

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1672-2469(2017)03-0063-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.024

2017-01-17

崔亞瓊(1967年—)，女，教授級(jí)高級(jí)工程師。