配電變壓器的合理選擇與節能探討

摘要：配電變壓器的合理選擇是建筑電氣節能的重要內容。文章介紹了節能型變壓器、各類變壓器的選用條件、變壓器容量和臺數的計算等，系統闡述了配電變壓器的合理選擇與節能問題。

關鍵詞：配電變壓器；電網損耗；電氣節能

中圖分類號：TV675 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0089-03

我國電網損耗占供電容量的7%，其中變壓器損耗占60%左右。因此合理選擇變壓器將產生很大的效益。降低變壓器損耗已是我國節能工作的當務之急。

1 變壓器的損耗和效率

變壓器的損耗可分為鐵損、銅損兩大類。每類損耗中又有基本損耗和附加損耗之分。變壓器的空載損耗主要是鐵損，而負載損耗主要是銅損。

變壓器的效率是指輸出的有功功率P2與輸入的有功功率P1的百分比，用η表示為η=100%。P2=P1-ΣP，ΣP

是變壓器的總損耗，這樣有η==1-

總損耗ΣP應為總鐵損與總銅損之和，即ΣP=PCU+PFe，而計算P2采用公式P2=βPNcosφ2（β為負載率，PN為變壓器的額定容量）。變壓器的有功功率損耗ΣP也可表示為：ΣP=Po+PKβ2。式中Po為變壓器的空載損耗（kW）；Pk為變壓器的有載損耗（kW）；β為變壓器的負載率。所以：

η=（1-）×100%

上式中Po為空載損耗又稱鐵損，它由鐵芯的渦流損耗及漏磁損耗組成，其值與硅鋼片的性能及鐵芯制造工藝有關，而與負荷大小無關，是基本不變的部分。

上式中Pκ是傳輸功率的損耗，即變壓器的線損，它取決于變壓器繞組的電阻及流過繞組電流的大小。

2 提高變壓器效率的方法

根據設備工作原理歸納出提高效率有四條途徑：（1）降低空載損耗。可采用性能優良的硅鋼片或非晶合金或階梯接縫。改進鐵心結構和工藝，降低工藝系數等。（2）降低負載損耗。可采用比電解銅導電率高的無氧銅桿拉拔的導線，提高導電系數。（3）降低其他部件損耗。如改進鐵心結構，用波紋油箱、片式散熱器代替管式散熱器，提高散熱效率等。（4）利用工作機械的工作特性來降低損耗。如將容量隨著變壓器負載大小同步改變，以降低損耗。

3 節能型變壓器的種類

3.1 改進材質節能的變壓器

3.1.1 超導變壓器。超導就是當溫度降至某一溫度時物質突然失去電阻的現象。現在超導體的最高臨界溫度已達到150K，即-123℃。在2006年，國內開發的非晶合金鐵心高溫超導變壓器成功并網運行。

3.1.2 優質硅鋼片。通過熱軋和冷軋得到各向同性和各向異性的熱軋硅鋼片和冷軋硅鋼片。又采用二次再結晶和特殊的絕緣涂層，得到高斯方位結構度很高的高導磁硅鋼片。優質硅鋼片只有普通硅鋼片單位損耗的60%～80%。

3.1.3 非晶合金。金屬分子是結晶態，分子呈晶格整齊排列，而將金屬熔化后讓其急速冷卻，來不及結晶排列便成了分子排列雜亂無章的非晶態而成非晶合金。其鐵損耗很低，將其做成變壓器鐵心，便成了一種新穎的節能變壓器即非晶合金鐵心變壓器。

3.1.4 低電阻導線和低損耗導線。采用無氧銅和電工鋁導線，可使電導率分別為電解銅和工業鋁導線的109.0%和104.2%。

3.2 改造部件結構節能的變壓器

3.2.1 卷鐵心變壓器。卷鐵心比疊鐵心的鐵心四角減少大小各4個尖角，鐵重減少。又卷鐵心幾乎沒有疊積接縫，連續卷繞充分利用硅鋼片的取向性，且成自然緊固狀態，無需夾件緊固，避免夾緊引起的損耗增大。卷鐵心比疊鐵心空載損耗和空載電流都大為降低。

3.2.2 R型卷鐵心變壓器。R型鐵心可以采用較薄的高導磁冷軋硅鋼片制造。由于R型鐵心截面占空系數接近100%，相同橫截面的R型鐵心比階梯型截面卷鐵心的周長減少，節省銅材，比普通卷鐵心變壓器更節能。

3.2.3 立體鐵心變壓器。將3個鐵心柱豎著呈等邊三角型排列，3條心柱中心線不在一個平面上，而呈立體狀排列，叫立體鐵心變壓器，可做成疊鐵心或卷鐵心。立體鐵心變壓器比平面三心柱型變壓器，其鐵軛長減少，故鐵軛質量減輕，又可避免軛部大小框之間的磁路自調節效應，解決了三相負載不平衡時的磁通平衡問題。是一種較好的節能變壓器。

3.2.4 單相柱上變壓器。單相制供電有多種優越性。單相變壓器一般裝在電線柱上或房屋旁，變壓器容量小，噪聲低，就近安裝，可縮短配線，降低線損，改善電壓品質。另單相變壓器在同容量情況下比三相變壓器鐵重輕，銅重輕，尤其是采用卷鐵心時，空載損耗和空載電流都有大幅下降。如果采用一線一地制供電，還可節約輸電導線損耗，更適宜于農村和邊遠地區。

3.3 根據工作原理節能的變壓器

3.3.1 雙容量變壓器。應市場要求，變壓器提出了一種新的運行方式——雙容量變壓器，通過改變接線，使變壓器在不同的負載下按不同的接線運行。通過磁通密度變化，這種變壓器在低負載時具有極低的空載損耗，只有普通變壓器的25%以下，比非晶合金鐵芯的變壓器空載損耗還要低，從而取得巨大的經濟效益。該技術可適用于各種聯結組、電壓等級、調壓方式、不同容量的變壓器。雙容量變壓器的兩個容量之比可根據不同的負載損耗對空載損耗之比設計成2∶1。變壓器的一次、二次繞組都是軸向雙分裂結構。雙分裂的兩部分結構對稱、全絕緣、電氣參數相同。變壓器的一側設有調壓繞組。變壓器一次繞組的兩部分通過換接開關可以接成串聯或并聯結構，二次繞組的兩部分通過另一換接開關也可以接成串聯或并聯連接。在正常負載情況下，變壓器的一次、二次繞組以并聯方式運行，與普通變壓器一樣，可以適用于負載率從0%～100%的范圍；在低負載（負載率<33%）時，變壓器一次、二次繞組以串聯方式運行，這時變壓器的額定容量是全容量的1/4。

3.3.2 有載調壓變壓器。用戶提出調壓要求時，應當選用有載自動調壓變壓器。

3.4 其他種類節能變壓器

其他種類有：在除塵變壓器中采用的中阻抗（帶電抗器）變壓器，短路阻抗小、附加損耗小、總損耗小。在各用電單位總線上串入低壓節電器（特種干式變壓器），起到均壓電抗器、消除諧波和將電壓穩定在最佳電壓的

作用。

4 變壓器的選擇

4.1 變壓器型式的選擇

首先應選用低損耗節能變壓器。應根據具體的環境考慮：在多塵或有腐蝕性氣體場所選擇密閉型變壓器或防腐型變壓器；供電系統沒有特殊要求和民用建筑獨立變電所采用三相油浸自冷電力變壓器；消防要求較高的場所采用干式電力變壓器；電網電壓波動較大的場所采用有載調壓電力變壓器等。

4.2 變壓器的負荷率

變壓器的負荷率較低時，變壓器自身損耗所占的比例大，效率較低。在設計和選用變壓器時，宜使變壓器運行在最佳負荷率下，達到節能之目的。

根據η=（1-）×100%，用微分

對β2PK求極值，知β=50%時變壓器能耗最小。綜合考慮設備投資、運行、折舊、維護等費用以及預留容量，其負荷率β選擇在75%為宜。

4.3 變壓器的環境溫度

環境溫度對變壓器的影響很大，變壓器不應在環境溫度過高的場所運行。必要時可對環境采取降溫措施。

4.4 變壓器的容量和臺數計算

變壓器的臺數應滿足用電負荷對可靠性的要求。在有一、二級負荷的場所，宜選擇兩臺主變壓器或者經技術經濟比選合理時選擇多于兩臺主變壓器。三級負荷一般選擇一臺主變壓器，負荷較大時按計算確定。

變壓器容量計算，其額定容量應能滿足全部用電設備的計算負荷，考慮負荷發展應留有一定的容量裕度，并考慮經濟運行條件。

裝設單臺變壓器的額定容量SN和計算負荷S應滿足：

SN≥（1.15～1.4）S

裝設兩臺主變壓器，其任一臺主變容量SN應滿足總計算負荷的60%～70%，且應滿足全部一、二級負荷的需要。

多臺主變壓器經濟運行的條件應滿足：

Scr——經濟運行臨界負荷，kVA

SN——變壓器的額定容量，kVA

Po——變壓器空載損耗，kW

Qo——變壓器空載時的無功損耗，kVar，按下式計算

Qo≈SN（I0%）/100，其中I0%為變壓器空載電流占額定電流的百分值

Pk——變壓器的短路損耗（亦稱負載損耗），kW

QN——變壓器額定負荷時的無功損耗增量（kVar），按下式計算

QN≈SN（U0%）/100，其中U0%為變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分值

Kq——無功功率經濟當量，kW/kVar

由發電機電壓直配的工廠變電所Kq=0.02～0.04kW/kVar；

經兩級變壓的工廠變電所Kq=0.05～0.08kW/kVar；

經三級及以上變壓的工廠變電所Kq=0.01～0.015kW/kVar；

在不考慮上述計算條件時，一般取Kq=0.1kW/kVar。

如SScr宜n臺運行。S為變電所實際負荷，kVA。

4.5 合理選擇變壓器

設計時，應合理分配用電負荷、合理選擇變壓器的容量和臺數，使設備高效運行：負荷率低于30%應減小一級容量選擇，負荷率大于80%應放大一級容量選擇；需要選擇多臺變壓器時，應合理分配負荷，減少臺數，選用大容量變壓器；項目周期長，分期實施的，應考慮多臺變壓器方案，內部多個變電所間設聯絡線，便于根據實際情況，切除部分變壓器，減少空載損耗。

5 結語

配電變壓器應盡可能選用節能變壓器，變壓器的類型要與工作環境相適應。在保證電能質量的要求下，盡量減少投資、運行費用和有色金屬耗用量。一般來講，變壓器容量和臺數的確定是和變電所主接線方案經計算合理確定的。在設計主接線方案時，同時也要考慮用電單位對變壓器臺數和容量的要求。

參考文獻

[1]李炳華，宋鎮江.建筑電氣節能技術及設計指南

[M]北京：中國建筑工業出版社，2011.

（責任編輯：劉 晶）