基于設(shè)備經(jīng)濟(jì)性選型下的變壓器設(shè)計(jì)

吉　帥/西安特變電工電力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司

基于設(shè)備經(jīng)濟(jì)性選型下的變壓器設(shè)計(jì)

吉帥/西安特變電工電力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司

設(shè)計(jì)人員從事工業(yè)變配電工作時(shí)，都會(huì)遇到變壓器臺(tái)數(shù)、容量選擇這一問(wèn)題，這也是設(shè)計(jì)人員必須掌握的一項(xiàng)內(nèi)容。隨著社會(huì)不斷發(fā)展，從事電氣設(shè)計(jì)行業(yè)的人員越來(lái)越多，對(duì)于變壓器容量如何選擇大多數(shù)人一知半解，這不僅不利于設(shè)計(jì)人員自身發(fā)展、專業(yè)素質(zhì)提高，而且造成業(yè)主投資不當(dāng)、運(yùn)行不可靠。

變壓器；容量；設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員不斷增多，電氣設(shè)計(jì)行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的問(wèn)題。一方面，設(shè)計(jì)院、設(shè)計(jì)公司較多，經(jīng)驗(yàn)、學(xué)識(shí)豐富的設(shè)計(jì)人員卻是稀缺資源，因?qū)е滦袠I(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)質(zhì)量參差不齊，無(wú)法達(dá)到精細(xì)化、經(jīng)濟(jì)化設(shè)計(jì)水平。另一方面，有些項(xiàng)目圖紙并沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)審圖公司人員的審核，設(shè)計(jì)者對(duì)所設(shè)計(jì)內(nèi)容準(zhǔn)確性并不十分確定，并未考慮經(jīng)濟(jì)性，導(dǎo)致業(yè)主運(yùn)營(yíng)、維護(hù)方面產(chǎn)生了巨大損失。針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)變壓器臺(tái)數(shù)、容量選擇問(wèn)題作以下研究，從根本上解決設(shè)備損耗大、經(jīng)濟(jì)性差的問(wèn)題。

一、變壓器選擇影響因素分析

在研究變壓器容量選擇問(wèn)題時(shí)，若涉及相關(guān)名詞解釋只指出相關(guān)規(guī)范，在此不作詳細(xì)介紹。現(xiàn)主要從以下幾方面綜合考慮變壓器容量選擇問(wèn)題：

（一）根據(jù)設(shè)備運(yùn)行實(shí)際負(fù)荷來(lái)選擇

對(duì)于一個(gè)整體項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，用電負(fù)荷眾多，功率大小不一，運(yùn)行時(shí)間和周期有所差異，其總負(fù)荷功率值波動(dòng)較為明顯。對(duì)于變電所、配電所負(fù)荷計(jì)算，可采用需要系數(shù)法進(jìn)行確定。不僅如此，單臺(tái)用電設(shè)備工作制不同，負(fù)荷功率也有所不同。設(shè)備運(yùn)行方式為連續(xù)工作制、短時(shí)或周期工作制下尚需進(jìn)行負(fù)荷換算。

通過(guò)上述內(nèi)容將負(fù)荷進(jìn)行換算后，由于每臺(tái)設(shè)備搭配運(yùn)行方式不同，存在一定同時(shí)性，在某一時(shí)間段負(fù)荷功率值波動(dòng)較大。通常Kp有功功率同時(shí)系數(shù)取值0.8～1.0，Kq無(wú)功功率同時(shí)系數(shù)取值0.93～1.0。從而得出項(xiàng)目實(shí)際計(jì)算負(fù)荷。

（二）根據(jù)負(fù)荷等級(jí)來(lái)選擇

在選擇變壓器容量時(shí)，首先應(yīng)確定站、場(chǎng)負(fù)荷按幾級(jí)考慮。所謂負(fù)荷等級(jí)及供電要求，在《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052-2009）中有所解釋。在具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)變壓器容量時(shí)應(yīng)參考相應(yīng)行業(yè)負(fù)荷等級(jí)確認(rèn)。比如石油化工行業(yè)可參考《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2002）、《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50350-2005）等規(guī)范中電氣部分內(nèi)容。

當(dāng)確定負(fù)荷級(jí)別時(shí)，由電氣主接線方式?jīng)Q定變壓器臺(tái)數(shù)。如果站場(chǎng)負(fù)荷為一級(jí)時(shí)，應(yīng)由雙電源供電，變壓器臺(tái)數(shù)宜為兩臺(tái)，電源則由兩個(gè)不同電源點(diǎn)引入，兩者互不影響；若站場(chǎng)負(fù)荷為二級(jí)時(shí)，應(yīng)由雙回路進(jìn)行供電，變壓器宜為兩臺(tái)或者一臺(tái)變壓器、一臺(tái)發(fā)電機(jī)；若為三級(jí)負(fù)荷時(shí)，則單電源、單臺(tái)變壓器即可滿足規(guī)范要求。

如例1所示：某化工廠0.4kV用電負(fù)荷中，一級(jí)負(fù)荷為2500kW，二級(jí)負(fù)荷為1200kW，三級(jí)負(fù)荷為1000kW，功率因數(shù)cosφ=0.92。

可知，進(jìn)行變壓器容量選擇時(shí)，化工廠總負(fù)荷為4700kW，其中一、二級(jí)負(fù)荷為3700kW。

根據(jù)一、二級(jí)負(fù)荷確定，單臺(tái)變壓器容量S1≧3700/0.92 =4021.74kVA。

根據(jù)總負(fù)荷確定，單臺(tái)變壓器容量S2≧4700kW*60％/0.92 =3065.22kVA。

所以所選變壓器單臺(tái)容量應(yīng)不小于4021.74kVA。

（三）根據(jù)變壓器運(yùn)行方式選擇

變壓器容量主要是根據(jù)用電設(shè)備視在功率大小而決定。有些地區(qū)供電部門對(duì)功率因數(shù)有所要求，一般按不小于0.92考慮。若負(fù)荷等級(jí)按一級(jí)考慮需兩臺(tái)變壓器時(shí)，可一用一備或兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。

若采用一用一備運(yùn)行方式，雖然相對(duì)于變壓器本身而言其運(yùn)行、維護(hù)等方面較為簡(jiǎn)便，但是所需變壓器容量較大增大，工程建設(shè)投資及運(yùn)營(yíng)成本較高。綜合考慮下，在實(shí)際過(guò)程中往往按兩臺(tái)變壓器同時(shí)運(yùn)行考慮。根據(jù)《35k～110kV變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50059-92），主變壓器臺(tái)數(shù)為2臺(tái)及以上時(shí)，當(dāng)一臺(tái)變壓器斷開(kāi)（故障、日常維修等）時(shí)，其余變壓器應(yīng)能滿足站場(chǎng)一、二級(jí)負(fù)荷，且不應(yīng)低于總負(fù)荷的60％。此時(shí)需要考慮負(fù)荷實(shí)際特點(diǎn)來(lái)確定。

（四）根據(jù)變壓器過(guò)載能力選擇

比如燃煤燃?xì)庑袠I(yè)，冬季鍋爐設(shè)備啟用，造成全場(chǎng)負(fù)荷偏大，夏季鍋爐停止運(yùn)行，負(fù)荷偏小，造成冬季、夏季負(fù)荷不同；機(jī)械制造行業(yè)中加工機(jī)床、切割機(jī)等設(shè)備白天運(yùn)行，晚上停止，造成白天、夜間負(fù)荷差異較大。對(duì)于這類情況，需結(jié)合負(fù)荷最大值，負(fù)荷平均值，過(guò)載能力、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，來(lái)確定一個(gè)相對(duì)較為合理的負(fù)荷值來(lái)進(jìn)行變壓器選擇。在實(shí)際過(guò)程中由于負(fù)荷波動(dòng)較大，持續(xù)時(shí)間短，因此可考慮不超過(guò)1.1倍變壓器容量來(lái)進(jìn)行綜合考慮。

（五）根據(jù)最佳負(fù)載率來(lái)選擇

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)負(fù)載率β大小由變壓器空載損耗、額定負(fù)載功率損耗（根據(jù)變壓器廠家資料獲得）等因素確定。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域?yàn)樨?fù)載率為0.55～1，最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可取范圍0.6-0.7。常規(guī)要求下一般規(guī)定變壓器負(fù)載率不應(yīng)大于85％，這一規(guī)定主要是考慮到變壓器運(yùn)行時(shí)損耗、溫升以及5～10年裕量等因素。

但在工作當(dāng)中設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，選擇變壓器容量時(shí)，容量為1600kVA、2000kVA時(shí)負(fù)載率均在此范圍內(nèi)，這就無(wú)可避免讓設(shè)計(jì)人員感到疑惑，不知該如何正確選擇變壓器容量。此時(shí)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題研究將顯得非常重要。參考《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)變壓器能效評(píng)價(jià)內(nèi)容，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范可知，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最佳負(fù)載率一般取值0.6～0.7范圍最為合適。

例1中，單臺(tái)變壓器容量選擇應(yīng)大于4565.22kVA。變壓器容量、負(fù)載率確定見(jiàn)表1：

表1　變壓器容量、負(fù)載率確定

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，變壓器容量選擇6300kVA，負(fù)載率β為63.84％。

（六）其他因素

除了以上方面選擇變壓器臺(tái)數(shù)、容量時(shí)，還應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選擇。比如集氣站用電，一般井場(chǎng)較多。雖然單臺(tái)變壓器從容量上考慮滿足要求，但是變壓器有效供電范圍卻受到限制。0.4kV架空線路或者直埋電纜等使用時(shí)，其電纜損耗、用電負(fù)荷決定變壓器供電半徑。

舉例如下：某項(xiàng)目有井口有100口，每口井油泵為22kW，每口井之間距離最小為400m，最大為800m。以線路損耗不超過(guò)10％時(shí)，確定0.4kV架空線截面和供電半徑。見(jiàn)表2：

表2　架空線截面和供電半徑選擇

我們知道，用電負(fù)荷越大，供電半徑越小。根據(jù)上述表格數(shù)值可知，只設(shè)一臺(tái)變壓器，容量為3150kVA變壓器進(jìn)行井場(chǎng)供電不現(xiàn)實(shí)，不符合電壓損失要求。應(yīng)根據(jù)實(shí)際井口分布設(shè)計(jì)多臺(tái)變壓器，在滿足供電半徑及電纜截面的情況下進(jìn)行變壓器臺(tái)數(shù)、容量選擇。

二、總結(jié)

綜上所述，針對(duì)電氣設(shè)計(jì)中所遇到的變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)和容量選擇問(wèn)題，具體應(yīng)從實(shí)際計(jì)算負(fù)荷、負(fù)荷等級(jí)、變壓器運(yùn)行方式、過(guò)載能力、最佳負(fù)載率以及負(fù)荷分布等情況進(jìn)行綜合分析，進(jìn)行最優(yōu)化工業(yè)電力設(shè)計(jì)和變壓器選型，從而滿足安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)要求。

[1]《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052-2009,中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì),中國(guó)計(jì)劃出版社.

[2]電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè),能源部西北電力設(shè)計(jì)院編,中國(guó)電力出版社.

[3]工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）,中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院組編,中國(guó)電力出版社.