民用建筑配電變壓器容量的選擇

鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院有限公司 侯瑞云

隨著社會(huì)的巨大發(fā)展，人民生活水平日益提高，社會(huì)生產(chǎn)生活用電需求越來(lái)越大，民用建筑配電變壓器的單臺(tái)容量越來(lái)越大，臺(tái)數(shù)也隨之增多。民用建筑配電變壓器主要用來(lái)連接高壓供電網(wǎng)絡(luò)與建筑中末端負(fù)荷，是建筑供配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前35kV 及以下的配電變壓器占所有在網(wǎng)運(yùn)行變壓器臺(tái)數(shù)的50%以上，其中大部分為民用配電變壓器。所以民用配電變壓器容量的合理選擇不僅影響供電的可靠性，也決定了初期投資成本和運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性，而且變壓器的低耗能還具有節(jié)能環(huán)保意義，尤其是在當(dāng)前減少碳排放和節(jié)能降耗的大環(huán)境之下，符合國(guó)家的節(jié)能政策。

1 配電變壓器容量選擇的依據(jù)

配電變壓器的選擇應(yīng)根據(jù)建筑物的性質(zhì)、負(fù)荷屬性和環(huán)境條件確定，并選用低損耗、低噪聲的節(jié)能型變壓器。變壓器容量的選擇過(guò)程中常采用三個(gè)依據(jù)：

1.1 長(zhǎng)期工作負(fù)載率

依據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51348-2019）4.3.2條及其條文說(shuō)明規(guī)定：配電變壓器的長(zhǎng)期工作負(fù)載率考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不宜大于85%；當(dāng)有一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷時(shí)，宜裝設(shè)兩臺(tái)及以上變壓器，當(dāng)一臺(tái)變壓器停運(yùn)時(shí)，其余變壓器容量應(yīng)滿足一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷用電需求。當(dāng)兩臺(tái)變壓器設(shè)有聯(lián)結(jié)、一臺(tái)變壓器停運(yùn)時(shí)，可利用變壓器強(qiáng)冷措施，允許不超過(guò)30%短時(shí)過(guò)載。

變壓器的負(fù)載率定義為變壓器輸出的視在功率與變壓器額定容量之比。在相關(guān)文獻(xiàn)中，有作者認(rèn)為規(guī)范中長(zhǎng)期工作負(fù)載率應(yīng)理解為變壓器年度運(yùn)行負(fù)載率，而不是以計(jì)算負(fù)荷作為持續(xù)恒定負(fù)荷運(yùn)行所確定的負(fù)載率。筆者認(rèn)為根據(jù)計(jì)算負(fù)荷（需要負(fù)荷）的定義，此負(fù)荷熱效應(yīng)與實(shí)際變動(dòng)負(fù)荷產(chǎn)生的最大熱效應(yīng)相等，對(duì)變壓器、電纜之類是絕緣熱老化程度相等。根據(jù)需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，考慮了需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)，也就是對(duì)相關(guān)因素均進(jìn)行了考慮。所以在變壓器選擇過(guò)程中，按照計(jì)算負(fù)荷來(lái)選擇變壓器是沒有問(wèn)題的。存在困難的只是如何確定比較理想的計(jì)算系數(shù)，即需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)的確定。

由于負(fù)荷種類及建筑物的類別復(fù)雜性，詳細(xì)的進(jìn)行負(fù)荷的分析統(tǒng)計(jì)計(jì)算是非常復(fù)雜的。為了工程計(jì)算方便，在負(fù)荷計(jì)算需要系數(shù)法中，引入了需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)，而且在相關(guān)手冊(cè)中也給出了一些數(shù)據(jù)，但由于樣本本身的局限性，導(dǎo)致在負(fù)荷計(jì)算中引用這些既有數(shù)據(jù)后得出的計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)有較大偏差，所以為保證較為切合實(shí)際的結(jié)果，盡量減少理論偏差，設(shè)計(jì)過(guò)程中分析得出合理的需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)才是關(guān)鍵所在。

1.2 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間

在確保安全可靠運(yùn)行及滿足供電量需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)變壓器的合理配置，對(duì)變壓器運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化選擇，最大限度降低變壓器電能損耗，使選擇的變壓器盡量在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間運(yùn)行，使得變壓器高效率投運(yùn)。變壓器的效率特性具有最高效率時(shí)的負(fù)荷率通常很低，變壓器容量不能被充分利用，而變壓器容量被充分利用時(shí)其效率又不高。以節(jié)能型變壓器為例，油浸式配電變壓器的最佳效率點(diǎn)在22%～36%負(fù)荷率之間，干式變壓器的最佳效率點(diǎn)在40%～50%負(fù)荷率之間。如果按照最大效率來(lái)核定變壓器容量勢(shì)必造成變壓器容量過(guò)大，造成用戶初期投資大量增加。

《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》（GB/T13462-2008）規(guī)定了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。經(jīng)濟(jì)負(fù)載率是指變壓器負(fù)載最大時(shí)，能使變壓器有功損耗功率最低、即效率最高所對(duì)應(yīng)的變壓器負(fù)載率。規(guī)范中給出了變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)、最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)和非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)曲線圖。雙繞組變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，其綜合功率損耗率隨負(fù)載系數(shù)呈非線性變化，在其非線性曲線中最低點(diǎn)為綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)。

在傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中，非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)載率一般為30%以下，但隨著變壓器制造技術(shù)的變革和提升，變壓器鐵芯由熱軋變?yōu)槔滠?、又變?yōu)榉呛辖痂F芯，變壓器的鐵損和銅損不斷下降，比如國(guó)產(chǎn)鋼帶在磁通密度1.7T 下約為0.85W/kg，非晶合金鐵芯更可達(dá)到1.2T 下小于0.2W/kg 的水平，雙繞組變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間大大變寬，如12型變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間下限可達(dá)到2%。簡(jiǎn)單化的采用經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率選擇變壓器的做法是不可取的，特別是按照銅損等于鐵損得出的所謂經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率是不合理的，這種做法沒有考慮售電單價(jià)的高低、負(fù)荷性質(zhì)的差別、運(yùn)行情況的變化、負(fù)荷計(jì)算的誤差等，應(yīng)予以摒棄。

1.3 綜合能效費(fèi)用

依據(jù)《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》提供的一種用于分析和比較配電變壓器能效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方法，可讓用戶從經(jīng)濟(jì)角度更加直觀的來(lái)了解、評(píng)判變壓器的節(jié)能效益。此方法綜合考慮了變壓器的價(jià)格、損耗、負(fù)荷特點(diǎn)、電價(jià)等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，指導(dǎo)選擇更為經(jīng)濟(jì)且合理的配電變壓器。非供電企業(yè)的配電變壓器經(jīng)濟(jì)使用期綜合能效費(fèi)用包括配電變壓器的初始費(fèi)用、空載損耗的等效初始費(fèi)用、負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用，并與非供電企業(yè)基本電費(fèi)的記取方式有關(guān)。導(dǎo)則中給出了按照最大電量計(jì)算基本電費(fèi)和按照變壓器容量計(jì)算基本電費(fèi)的方法。在設(shè)計(jì)階段，可利用綜合能效費(fèi)用進(jìn)行相鄰級(jí)別變壓器的優(yōu)選。在變壓器運(yùn)行階段，可為用戶提供成本或變壓器更新時(shí)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

綜上可知，通過(guò)負(fù)荷計(jì)算得出長(zhǎng)期負(fù)載率，在考慮一定預(yù)留發(fā)展容量的前提下，確定變壓器容量，再按綜合能效費(fèi)用進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)比選，是選擇變壓器容量較為合理的步驟。

2 變壓器容量選擇的主要影響因素

2.1 負(fù)荷計(jì)算的合理性

在日常的設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常規(guī)計(jì)算選擇的變壓器容量往往過(guò)大，實(shí)測(cè)運(yùn)行負(fù)載率一般都較設(shè)計(jì)理論值偏低。主要就是因?yàn)榕潆娮儔浩髫?fù)荷理論計(jì)算與實(shí)際負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)存在較大差異。一般常采用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，并參照《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》選擇功率因數(shù)及同時(shí)系數(shù)，如前所述，由于其片面性出現(xiàn)了理論與實(shí)際的偏差，造成了較大的浪費(fèi)。

為確定較為合理的功率因數(shù)及同時(shí)系數(shù)，按照建筑物的屬性分析負(fù)荷類別，按照季節(jié)負(fù)荷、日負(fù)荷、小時(shí)負(fù)荷運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行梳理。比如冷熱源設(shè)備、雨水排水設(shè)備，可能不僅需要考慮季節(jié)，還需考慮所處地區(qū)氣候情況，氣溫、融雪等諸多因素。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，還可在充分分析運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上，按照一個(gè)完整的工作周期，以負(fù)荷有功電能消耗與變壓器滿負(fù)荷電能消耗的比值來(lái)確定負(fù)載率。此分析思路也是可取的，與分析得出合理的需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)是如出一轍，都是為達(dá)到共同的目的。

工作周期的選擇非常重要，此工作周期與民規(guī)中長(zhǎng)期時(shí)間的定義是有關(guān)聯(lián)的，按照多長(zhǎng)時(shí)間段來(lái)計(jì)算電能消耗較為合理。對(duì)于不同的建筑應(yīng)選擇合適的工作周期。如學(xué)校建筑按照一個(gè)學(xué)期來(lái)計(jì)算應(yīng)是比較合理的，寒暑假變壓器近乎空載狀態(tài)，不能算是變壓器的一種長(zhǎng)期正常工作狀態(tài)。對(duì)于幼兒園、小學(xué)、中學(xué)或大學(xué)建筑，一周穩(wěn)定負(fù)荷天數(shù)及每日負(fù)荷運(yùn)行規(guī)律又有不同，還需特殊分析。如商務(wù)辦公樓每天辦公時(shí)間約10h、每周5天、全年約250天[1]，但同一地區(qū)寫字樓的功率密度和年耗電量差異由于人員密度、辦公性質(zhì)的不同是相當(dāng)大的。

2.2 變壓器的運(yùn)行方式

變壓器的運(yùn)行方式分為并列運(yùn)行和分列運(yùn)行。一般情況下，為了降低故障狀態(tài)下的短路電流，且考慮系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，民用建筑配電變壓器一般采用分列運(yùn)行方式。根據(jù)負(fù)荷等級(jí)可從1臺(tái)變壓器引出單回路或通過(guò)2臺(tái)變壓器引出雙回路，或是有較多季節(jié)性負(fù)荷的用電淡季（變壓器故障檢修時(shí)），可停運(yùn)相應(yīng)的變壓器，通過(guò)低壓母聯(lián)開關(guān)由另一臺(tái)變壓器承擔(dān)兩段母線的剩余負(fù)荷（重要負(fù)荷），可以提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[2]。

《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》規(guī)定，二次側(cè)有聯(lián)絡(luò)線的分列運(yùn)行的雙繞組變壓器，在總供電負(fù)載不變的情況下應(yīng)對(duì)共用一臺(tái)或兩臺(tái)分列運(yùn)行方式進(jìn)行比選。在采用一臺(tái)變壓器滿足總供電負(fù)載的情況下，應(yīng)對(duì)兩臺(tái)分列運(yùn)行變壓器的空載損耗和額定負(fù)載損耗進(jìn)行比選，選擇總損耗最低的為共用變壓器。再對(duì)選定共用變壓器與兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行方式進(jìn)行比較，選擇出綜合功率損耗最小的運(yùn)行方式。導(dǎo)則中給出了臨界綜合負(fù)載視在功率的計(jì)算公式，但是由于臨界點(diǎn)劃分法并沒有完全考慮建筑配電變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)與要求，實(shí)際應(yīng)運(yùn)存在較大的工程誤差。

2.3 用戶維護(hù)管理方案

某些負(fù)荷僅根據(jù)設(shè)備本身的運(yùn)行特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分析還是比較片面的。通過(guò)分析類似建筑的運(yùn)營(yíng)或維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析不同模式下的運(yùn)行特征，一般可按照正常工況模式和最不利事故工況模式兩種情況，根據(jù)各類動(dòng)力照明負(fù)荷的分級(jí)、運(yùn)行特征及配電變壓器的運(yùn)行方式，來(lái)分析確定負(fù)荷的需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)。通過(guò)正常工況選擇變壓器后，按照事故工況核定變壓器容量，而且通過(guò)分析事故工況時(shí)長(zhǎng)并結(jié)合變壓器負(fù)載曲線來(lái)考慮過(guò)載系數(shù)，充分利用變壓器容量。此思路計(jì)算方法也可進(jìn)一步減小理論與實(shí)際負(fù)荷的差異。

對(duì)于干式變壓器，有自然空氣冷卻（AN）和強(qiáng)迫空氣冷卻（AF），在自然空氣冷卻時(shí)，正常使用條件下變壓器可連續(xù)輸出100%額定容量，在強(qiáng)迫空氣冷卻時(shí)，正常使用條件下變壓器容量可提高50%，適用于各種急救過(guò)負(fù)荷或斷續(xù)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。由于負(fù)載損耗和阻抗電壓增幅較大，不推薦強(qiáng)迫風(fēng)冷連續(xù)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。此外還需注意，對(duì)于干式變壓器戶內(nèi)運(yùn)行時(shí)，如選用IP23外殼會(huì)使變壓器冷卻能力下降，容量較小的下降約為5%，容量較大的甚至下降約10%，所以要注意在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇變壓器外殼，避免長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行。

油浸式變壓器的過(guò)載原則是過(guò)負(fù)荷倍數(shù)越小、允許持續(xù)允許的實(shí)際時(shí)間越長(zhǎng)。如105%負(fù)載允許連續(xù)允許12小時(shí)，120%負(fù)載允許連續(xù)允許2小時(shí)，160%負(fù)載允許連續(xù)允許45分鐘等。變壓器出廠時(shí)各個(gè)變壓器廠家都會(huì)附有說(shuō)明書，上面都有明確的過(guò)負(fù)荷規(guī)定?；蛞郧€給出，或以文字形式給出。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分熟悉這些資料，合理利用。

3 結(jié)語(yǔ)

配電變壓器作為配電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其容量的選擇具有非常重要的意義，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須嚴(yán)謹(jǐn)核定。但是由于負(fù)荷的多樣性，主客觀因素的不確定性，確定變壓器的容量不是一件容易的事情。變壓器容量選擇的核心在于負(fù)荷計(jì)算，一般采用需要系數(shù)法時(shí)，其核心又在于同時(shí)系數(shù)和需要系數(shù)的確定。必須厘清思路，綜合考慮各方因素，合理確定同時(shí)系數(shù)和需要系數(shù)，結(jié)合變壓器的運(yùn)行方式，按照規(guī)范確定的長(zhǎng)期工作負(fù)載率原則，確定變壓器的容量。最后通過(guò)計(jì)算綜合能效費(fèi)用，對(duì)變壓器容量進(jìn)行鄰近級(jí)的比選。而對(duì)于變壓器的效率，變壓器容量選擇過(guò)程中可不進(jìn)行過(guò)多考慮。