工程設計中如何合理選擇變壓器

殷文榮， 顏宏勇

(啟迪設計集團股份有限公司，蘇州 215021)

0 引言

變壓器是變電所內重要組件，是電氣系統的核心設備，合理選擇變壓器可以保證工程電氣系統安全可靠、經濟有效運行。本文筆者即針對變壓器各常見參數進行探討，附建式變電所內配電變壓器(10kV、20kV/400V)的選擇方法，為同行設計師提供一些參考。

1 變壓器類型

工業與民用供配電設計手冊中，關于各類變壓器的性能比較詳見表1。

各類變壓器性能比較 表1

根據表1可知，干式變壓器具有安裝面積小、絕緣等級高、耐潮性能好、噪音小等一系列優勢，是附建變電所內變壓器的最佳選擇。非晶合金變壓器，雖然體積更小、空載損耗也更低，但由于其噪音偏大、價格也偏貴，經濟耐用性較電工鋼帶變壓器差，應用不夠廣泛。

常用干式變壓器型號為SCB型：S(三相)；C(澆注式)；B(絕緣溫度130℃)。依據JB/T 3837-2016表B.7，干變損耗水平代號為10～13、15、16，“15、16”只適用于非晶合金干式變壓器。結合 GB 20052-2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》4.4條規定，干式配電變壓器空載損耗值和負載損耗值均應不高于規定數值，總結見表2。

變壓器損耗與能效等級對比 表2

由表2可知，SCB10、11對應NX3；SCB12對應NX2；SCB13對應NX1，但損耗水平和能效等級是兩個不同的概念，不能完全互換，選擇變壓器時應同時考慮。干式變壓器損耗水平是允許偏差的，Po+Pk允許偏差+10%，Po空載損耗和Pk負載損耗均允許+15%的偏差，同時滿足這兩個條件，變壓器產品合格。干式變壓器能效等級分為三級，干變必需NX2級以上，且損耗不允許正偏差。

2 變壓器容量

施工圖階段需要通過詳細的負荷計算(需要系數法)最終確定變壓器容量，項目負荷計算前，需要對項目作出詳細的負荷等級分析和供電方式選擇。

依據《火災自動報警系統設計規范》《民用建筑電氣設計規范》及各類建筑的行業規范，綜合確定項目所有負荷的定級。負荷分級確定后，需要對以下幾類工況作出負荷統計：(1)非火災時兩路高壓停電后需保障負荷Pe1。(2)火災時兩路高壓停電后需保障負荷Pe2。(3)一路高壓停電情況下需保障負荷Pe3。根據規范對各級負荷的供電要求，Pe1和Pe2的較大者可作為發電機容量選擇依據，Pe3為單路電源需保障負荷。

例：某山地精品酒店占地約2萬m2，分為公區、客房、別墅等多個子項，項目面積不大，滿足三星級標準，按照規范要求，用電負荷分為二、三級兩種。二級負荷主要包含：消防風機、消防水泵、應急照明等消防設備用電，經營及設備管理用計算機系統用電，宴會廳、餐廳、廚房、康樂設施、門廳、主要通道等場所照明用電，廚房、排水泵、生活水泵、客梯用電，計算機、電話、電聲和錄像設備、新聞攝影用電。其他負荷為三級負荷。按三種工況進行負荷統計，并進行負荷計算，具體見表3。

表3中，灰色底紋部分為業主及顧問公司要求，另行增加供電連續性要求的負荷。本項目用地緊張，第三路電源考慮接入臨時發電車，設計預留接口。根據上述統計：Pe2=945kW>Pe1=414kW；Pe3=2 395kW。

負荷統計表 表3

續表3

由表4可知，可采用兩臺1 250kVA變壓器，而一路電源停電的情況下，需保障的負荷Pe3=2 395kW，大于1 250kVA，變壓器選擇不合理。解決辦法有兩種，高壓側母聯或者是加大變壓器容量(或臺數)。經咨詢，所舉例工程的當地供電公司不同意高壓側母聯，只能采用第二種辦法解決。考慮本項目為山地項目，爆破開挖成本很高，增加臺數會大大增加變電所面積，最終采用加大單臺變壓器容量，采用2×2 000kVA，低壓側聯絡。

變壓器負荷計算時，變壓器的長期負荷率不宜大于85%，留有一定裕量，便于后續電量增加。當有大量一、二級負荷或季節性負荷變化較大時，應設置兩臺及以上變壓器，任一臺斷開，其余變壓器應能滿足一、二級負荷用電。變壓器容量應按自然冷卻選擇，不能按強迫風冷選擇。

變壓器負荷計算 表4

注：1T1#變壓器負載率=Sjs/So×100%，2T1#變壓器負載率=Sjs/So×100%

3 變壓器連接組別

三相變壓器的聯結組別，根據繞組聯結成星形、三角形、曲折形，標法不同。高低壓繞組分別對應Y、D、Z和y、d、z，有中性點引出時，分別對應YN、ZN和yn、zn(三角形無中性點)。GB/T 10228-2015《干式電力變壓器技術參數和要求》4.1條規定了配電變壓器聯結組別號Yyn0和Dyn11，對比見表5。

Dyn11變壓器的高壓D繞組可以使三次諧波電流形成環流，不致注入公共高壓電網，不會影響電網質量，另外Dyn11變壓器的中性線允許電流也要壁Yyn0大的多。故GB 50053-2013《20kV及以下變電所設計規范》3.3.7條、JGJ/T16-2008《民用建筑電氣設計規范》4.3.4條推薦優先采用Dyn11聯結變壓器。

4 變壓器調壓方式及分接頭選擇

三相變壓器的調壓方式一般分為有載和無載：有載調壓就是變壓器正常帶載運行的情況下，調電壓分接開關。無載調壓就是變壓器停止運行的情況下，調電壓分接開關。對比見表6。

配電變壓器常用聯結組和適用范圍 表5

有載調壓變壓器安裝時，需相應增加調壓開關柜，多占面積也增加了故障點。我國電網質量相對比較穩定，在滿足用戶需求的前提下，工程設計中應盡量選用無載調壓變壓器。

變壓器分接頭一般設置在高壓繞組側，GB/T 10228-2015《干式電力變壓器技術參數和要求》4.1條規定了配電變壓器的分接頭選擇范圍±5%，±2×2.5%，筆者建議采用五檔調節±2×2.5%。當電網電壓相對偏高時，應選擇+3×2.5%，-1×2.5%，當電網電壓相對偏低時，應選擇+1×2.5%，-3×2.5%。具體要根據當地電網實際情況選擇確定分接頭，如用電相對集中的經濟發達沿海地區，可采用+3×2.5%，-1×2.5%，用電偏遠地區可采用+1×2.5%，-3×2.5%。

兩種調壓變壓器對比 表6

5 變壓器工頻耐壓

參見表7可知，GB 1094.11-2007《電力變壓器 第11部分：干式變壓器》與IEC 60076-11-2004標準基本一致，只是根據我國國情局部修改：設備最高電壓“36kV”改為“40.5kV”，額定短時外施耐受電壓“28kV”改為“35kV”。GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》在GB 1094.11基礎上做了進一步提高。可以看出常用民用10kV、20kV配電變壓器工頻耐壓分別對應35kV和55kV。

變壓器工頻耐壓 表7

6 變壓器阻抗電壓

阻抗電壓是變壓器的重要經濟指標，影響到變壓器的效率、成本等。變壓器的二次側繞組短路，一次側繞組電壓逐漸加大，當二次側短路電流達到額定電流時，一次側所加的電壓(短路電壓)與額定電壓的百分比值就是阻抗電壓Uk(%)。同容量變壓器阻抗電壓對比參見表8。

同容量變壓器阻抗電壓對比 表8

一般來說，電壓等級越高，容量越大，阻抗電壓數值越大。正常運行時，變壓器阻抗越小，電壓波動受負載變化的影響越小；變壓器阻抗越大，變壓

變壓器容量及阻抗電壓值 表9

器出口處短路電流越小。不同容量的變壓器對應的阻抗電壓值，GB/T 10228-2015《干式電力變壓器技術參數和要求》4.1條有相關規定，參見表9。

其中630kVA、1 600kVA、2 000kVA、2 500kVA四種變壓器有兩種阻抗電壓可以選擇。從電網的運行角度來講，阻抗電壓宜選低，電壓變動小，電壓質量容易控制；從用戶的角度來講，阻抗電壓宜選高，短路電流得到控制，帶載能力增強。阻抗電壓參數還要結合當地供電部門意見，雙方協商確定。

7 其他

7.1 變壓器防護等級，依據工業與民用供配電設計手冊

根據使用環境特征及防護要求，干式變壓器可選擇不同的外殼，戶內配電變壓器通常選用的IP20防護外殼即可，供電部門考慮安全性要求，一般均要求IP40。提高防護等級，有利于變電所布置，有效減少占地面積，也節省了很多變壓器與配電柜之間的連接銅排、電纜及絕緣材料等。但防護等級越高，散熱越差，不利于變壓器本身的散熱，會導致變壓器運行容量降低、加快變壓器絕緣老化等。故IP40安裝時，通常會考慮底部抬高和頂部加高的做法，增加進排風面積，IP40變壓器一般只考慮風冷(AF)變壓器。目前較常見做法是，變壓器外殼采用IP20，內寸滿足IP40要求的不銹鋼絲網。

變壓器外殼(防護外殼)與變壓器室墻壁和門的最小凈距 表10

變壓器防護外殼的最小凈距 表11

①變壓器外殼的門應為可拆卸式。

當變壓器外殼的門為不可拆卸式時，其B值應是門扇的寬度c加變壓器寬度b之和再加0.3m。變壓器外殼(防護外殼)與變壓器室墻壁和門的最小凈距及變壓器防護外殼的最小凈距詳見表10～11。多臺干式變壓器外殼布置圖見圖1。

(a)變壓器之間A值；(b)變壓器之間B值圖1 多臺干式變壓器外殼布置

7.2 干式變壓器的冷卻方式

干式變壓器的冷卻方式分為自然空氣冷卻(AN)和強迫空氣冷卻(AF)，對自然空冷和強迫風冷的變壓器，均需保證其良好通風。在自然空冷工況下，變壓器可額定長期運行。強迫風冷時，當繞組達到一定溫度，系統自動啟動風機進行冷卻；當繞組溫度下降到變壓器規定值時，風機自動停止。強迫風冷狀態下，變壓器可達到更大容量運行，適用于應急過負荷運行。由于過負荷時處于非經濟運行狀態，長期過負荷會加速變壓器老化，縮短變壓器壽命，同時對母線和二次回路均提出更高要求。故干式變壓器不應長時間連續過負荷運行，一般不超過0.5h。

7.3 干式變壓器溫控

溫度是影響變壓器絕緣的關鍵因素，干式變壓器的壽命與其絕緣老化有關，相同變壓器的運行情況不同，壽命也不同。溫升過高時，變壓器損失壽命將加倍，故變壓器應設置超高溫跳閘，一般630kVA及以上的干變均應設溫控裝置。變壓器溫控主要控制超溫報警和超高溫跳閘，超溫報警時，應采取減載(非重要負荷)措施，以確保對主要負荷的安全供電。超高溫跳閘時，應立即切除故障，恢復電力系統正常運行。

例：依據變壓器各參數選擇要求，上述負荷計算所舉例酒店最終變壓器選擇為：“SCB12.NX2-2000/10 10±2x2.5%/0.4kV DYn11 工頻耐壓35kV △Uk%=6% IP40 AF風冷 溫控”。

8 結束語