阐述配电变压器的合理选择与节能问题

摘要：配电变压器的合理选择是建筑电气节能的重要内容。文章介绍了节能型变压器、各类变压器的选用条件、变压器容量和台数的计算等，系统阐述了配电变压器的合理选择与节能问题。

关键词：配电变压器；电网损耗；电气节能

我国电网损耗占供电容量的7%，其中变压器损耗占60%左右。因此合理选择变压器将产生很大的效益。降低变压器损耗已是我国节能工作的当务之急。

1 变压器的损耗和效率

变压器的损耗可分为铁损、铜损两大类。每类损耗中又有基本损耗和附加损耗之分。变压器的空载损耗主要是铁损，而负载损耗主要是铜损。

变压器的效率是指输出的有功功率P2与输入的有功功率P1的百分比，用η表示为η=100%。P2=P1-ΣP，ΣP

是变压器的总损耗，这样有η==1-

总损耗ΣP应为总铁损与总铜损之和，即ΣP=PCU+PFe，而计算P2采用公式P2=βPNcosφ2（β为负载率，PN为变压器的额定容量）。变压器的有功功率损耗ΣP也可表示为：ΣP=Po+PKβ2。式中Po为变压器的空载损耗（kW）；Pk为变压器的有载损耗（kW）；β为变压器的负载率。所以：

η=（1-）×100%

上式中Po为空载损耗又称铁损，它由铁芯的涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与硅钢片的性能及铁芯制造工艺有关，而与负荷大小无关，是基本不变的部分。

上式中Pκ是传输功率的损耗，即变压器的线损，它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小。

2 提高变压器效率的方法

根据设备工作原理归纳出提高效率有四条途径：（1）降低空载损耗。可采用性能优良的硅钢片或非晶合金或阶梯接缝。改进铁心结构和工艺，降低工艺系数等。（2）降低负载损耗。可采用比电解铜导电率高的无氧铜杆拉拔的导线，提高导电系数。（3）降低其他部件损耗。如改进铁心结构，用波纹油箱、片式

散热器代替管式散热器，提高散热效率等。（4）利用工作机械的工作特性来降低损耗。如将容量随着变压器负载大小同步改变，以降低损耗。

3 节能型变压器的种类 3.1 改进材质节能的变压器

3.1.1 超导变压器。超导就是当温度降至某一温度时物质突然失去电阻的现象。现在超导体的最高临界温度已达到150K，即-123℃。在2006年，国内开发的非晶合金铁心高温超导变压器成功并网运行。

3.1.2 优质硅钢片。通过热轧和冷轧得到各向同性和各向异性的热轧硅钢片和冷轧硅钢片。又采用二次再结晶和特殊的绝缘涂层，得到高斯方位结构度很高的高导磁硅钢片。优质硅钢片只有普通硅钢片单位损耗的60%～80%。

3.1.3 非晶合金。金属分子是结晶态，分子呈晶格整齐排列，而将金属熔化后让其急速冷却，来不及结晶排列便成了分子排列杂乱无章的非晶态而成非晶合金。其铁损耗很低，将其做成变压器铁心，便成了一种新颖的节能变压器即非晶合金铁心变压器。

3.1.4 低电阻导线和低损耗导线。采用无氧铜和电工铝导线，可使电导率分别为电解铜和工业铝导线的109.0%和104.2%。

3.2 改造部件结构节能的变压器

3.2.1 卷铁心变压器。卷铁心比叠铁心的铁心四角减少大小各4个尖角，铁重减少。又卷铁心几乎没有叠积接缝，连续卷绕充分利用硅钢片的取向性，且成自然紧固状态，无需夹件紧固，避免夹紧引起的损耗增大。卷铁心比叠铁心空载损耗和空载电流都大为降低。

3.2.2 R型卷铁心变压器。R型铁心可以采用较薄的高导磁冷轧硅钢片制造。由于R型铁心截面占空系数接近100%，相同横截面的R型铁心比阶梯型截面卷铁心的周长减少，节省铜材，比普通卷铁心变压器更节能。

3.2.3 立体铁心变压器。将3个铁心柱竖着呈等边三角型排列，3条心柱中心线不在一个平面上，而呈立体状排列，叫立体铁心变压器，可做成叠铁心或卷铁心。立体铁心变压器比平面三心柱型变压器，其铁轭长减少，故铁轭质量减轻，又可避免轭部大小框之间的磁路自调节效应，解决了三相负载不平衡时的磁通平衡问题。是一种较好的节能变压器。

3.2.4 单相柱上变压器。单相制供电有多种优越性。单相变压器一般装在电线柱上或房屋旁，变压器容量小，噪声低，就近安装，可缩短配线，降低线损，改善电压品质。另单相变压器在同容量情况下比三相变压器铁重轻，铜重轻，尤其是采用卷铁心时，空载损耗和空载电流都有大幅下降。如果采用一线一地制供电，还可节约输电导线损耗，更适宜于农村和边远地区。

3.3 根据工作原理节能的变压器

3.3.1 双容量变压器。应市场要求，变压器提出了一种新的运行方式——双容量变压器，通过改变接线，使变压器在不同的负载下按不同的接线运行。通过磁通密度变化，这种变压器在低负载时具有极低的空载损耗，只有普通变压器的25%以下，比非晶合金铁芯的变压器空载损耗还要低，从而取得巨大的经济效益。该技术可适用于各种联结组、电压等级、调压方式、不同容量的变压器。双容量变压器的两个容量之比可根据不同的负载损耗对空载损耗之比设计成2∶1。变压器的一次、二次绕组都是轴向双分裂结构。双分裂的两部分结构对称、全绝缘、电气参数相同。变压器的一侧设有调压绕组。变压器一次绕组的两部分通过换接开关可以接成串联或并联结构，二次绕组的两部分通过另一换接开关也可以接成串联或并联连接。在正常负载情况下，变压器的一次、二次绕组以并联方式运行，与普通变压器一样，可以适用于负载率从0%～100%的范围；在低负载（负载率<33%）时，变压器一次、二次绕组以串联方式运行，这时变压器的额定容量是全容量的1/4。

3.3.2 有载调压变压器。用户提出调压要求时，应当选用有载自动调压变压器。

3.4 其他种类节能变压器

其他种类有：在除尘变压器中采用的中阻抗（带电抗器）变压器，短路阻抗小、附加损耗小、总损耗小。在各用电单位总线上串入低压节电器（特种干式变压器），起到均压电抗器、消除谐波和将电压稳定在最佳电压的

作用。

4 变压器的选择 4.1 变压器型式的选择

首先应选用低损耗节能变压器。应根据具体的环境考虑：在多尘或有腐蚀性气体场所选择密闭型变压器或防腐型变压器；供电系统没有特殊要求和民用建筑

独立变电所采用三相油浸自冷电力变压器；消防要求较高的场所采用干式电力变压器；电网电压波动较大的场所采用有载调压电力变压器等。

4.2 变压器的负荷率

变压器的负荷率较低时，变压器自身损耗所占的比例大，效率较低。在设计和选用变压器时，宜使变压器运行在最佳负荷率下，达到节能之目的。

根据η=（1-）×100%，用微分

对β2PK求极值，知β=50%时变压器能耗最小。综合考虑设备投资、运行、折旧、维护等费用以及预留容量，其负荷率β选择在75%为宜。

4.3 变压器的环境温度

环境温度对变压器的影响很大，变压器不应在环境温度过高的场所运行。必要时可对环境采取降温措施。

4.4 变压器的容量和台数计算

变压器的台数应满足用电负荷对可靠性的要求。在有一、二级负荷的场所，宜选择两台主变压器或者经技术经济比选合理时选择多于两台主变压器。三级负荷一般选择一台主变压器，负荷较大时按计算确定。

变压器容量计算，其额定容量应能满足全部用电设备的计算负荷，考虑负荷发展应留有一定的容量裕度，并考虑经济运行条件。

装设单台变压器的额定容量SN和计算负荷S应满足： SN≥（1.15～1.4）S

装设两台主变压器，其任一台主变容量SN应满足总计算负荷的60%～70%，且应满足全部一、二级负荷的需要。

多台主变压器经济运行的条件应满足： Scr——经济运行临界负荷，kVA SN——变压器的额定容量，kVA Po——变压器空载损耗，kW

Qo——变压器空载时的无功损耗，kVar，按下式计算

Qo≈SN（I0%）/100，其中I0%为变压器空载电流占额定电流的百分值 Pk——变压器的短路损耗（亦称负载损耗），kW

QN——变压器额定负荷时的无功损耗增量（kVar），按下式计算 QN≈SN（U0%）/100，其中U0%为变压器阻抗电压占额定电压的百分值 Kq——无功功率经济当量，kW/kVar

由发电机电压直配的工厂变电所Kq=0.02～0.04kW/kVar； 经两级变压的工厂变电所Kq=0.05～0.08kW/kVar； 经三级及以上变压的工厂变电所Kq=0.01～0.015kW/kVar； 在不考虑上述计算条件时，一般取Kq=0.1kW/kVar。 如SScr宜n台运行。S为变电所实际负荷，kVA。 4.5 合理选择变压器

设计时，应合理分配用电负荷、合理选择变压器的容量和台数，使设备高效运行：负荷率低于30%应减小一级容量选择，负荷率大于80%应放大一级容量选择；需要选择多台变压器时，应合理分配负荷，减少台数，选用大容量变压器；项目周期长，分期实施的，应考虑多台变压器方案，内部多个变电所间设联络线，便于根据实际情况，切除部分变压器，减少空载损耗。

5 结语

配电变压器应尽可能选用节能变压器，变压器的类型要与工作环境相适应。在保证电能质量的要求下，尽量减少投资、运行费用和有色金属耗用量。一般来讲，变压器容量和台数的确定是和变电所主接线方案经计算合理确定的。在设计主接线方案时，同时也要考虑用电单位对变压器台数和容量的要求。

参考文献

[1]李炳华，宋镇江.建筑电气节能技术及设计指南 [M]北京：中国建筑工业出版社，2011.