基于設(shè)備經(jīng)濟性選型下的變壓器設(shè)計

吉帥

【摘 要】設(shè)計人員從事工業(yè)變配電工作時，都會遇到變壓器臺數(shù)、容量選擇這一問題，這也是設(shè)計人員必須掌握的一項內(nèi)容。隨著社會不斷發(fā)展，從事電氣設(shè)計行業(yè)的人員越來越多，對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、運行不可靠。

【關(guān)鍵詞】變壓器；容量；設(shè)計

隨著社會不斷發(fā)展，設(shè)計人員不斷增多，電氣設(shè)計行業(yè)面臨著嚴峻的問題。一方面，設(shè)計院、設(shè)計公司較多，經(jīng)驗、學識豐富的設(shè)計人員卻是稀缺資源，因?qū)е滦袠I(yè)領(lǐng)域設(shè)計質(zhì)量參差不齊，無法達到精細化、經(jīng)濟化設(shè)計水平。另一方面，有些項目圖紙并沒有經(jīng)過專業(yè)審圖公司人員的審核，設(shè)計者對所設(shè)計內(nèi)容準確性并不十分確定，并未考慮經(jīng)濟性，導(dǎo)致業(yè)主運營、維護方面產(chǎn)生了巨大損失。針對這一現(xiàn)象，對變壓器臺數(shù)、容量選擇問題作以下研究，從根本上解決設(shè)備損耗大、經(jīng)濟性差的問題。

一、變壓器選擇影響因素分析

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

（一）根據(jù)設(shè)備運行實際負荷來選擇

對于一個整體項目來說，用電負荷眾多，功率大小不一，運行時間和周期有所差異，其總負荷功率值波動較為明顯。對于變電所、配電所負荷計算，可采用需要系數(shù)法進行確定。不僅如此，單臺用電設(shè)備工作制不同，負荷功率也有所不同。設(shè)備運行方式為連續(xù)工作制、短時或周期工作制下尚需進行負荷換算。

通過上述內(nèi)容將負荷進行換算后，由于每臺設(shè)備搭配運行方式不同，存在一定同時性，在某一時間段負荷功率值波動較大。通常Kp有功功率同時系數(shù)取值0.8～1.0，Kq無功功率同時系數(shù)取值0.93～1.0。從而得出項目實際計算負荷。

（二）根據(jù)負荷等級來選擇

在選擇變壓器容量時，首先應(yīng)確定站、場負荷按幾級考慮。所謂負荷等級及供電要求，在《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50052-2009）中有所解釋。在具體項目設(shè)計變壓器容量時應(yīng)參考相應(yīng)行業(yè)負荷等級確認。比如石油化工行業(yè)可參考《石油庫設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2002）、《油氣集輸設(shè)計規(guī)范》（GB50350-2005）等規(guī)范中電氣部分內(nèi)容。

當確定負荷級別時，由電氣主接線方式?jīng)Q定變壓器臺數(shù)。如果站場負荷為一級時，應(yīng)由雙電源供電，變壓器臺數(shù)宜為兩臺，電源則由兩個不同電源點引入，兩者互不影響；若站場負荷為二級時，應(yīng)由雙回路進行供電，變壓器宜為兩臺或者一臺變壓器、一臺發(fā)電機；若為三級負荷時，則單電源、單臺變壓器即可滿足規(guī)范要求。

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

可知，進行變壓器容量選擇時，化工廠總負荷為4700kW，其中一、二級負荷為3700kW。

根據(jù)一、二級負荷確定，單臺變壓器容量S1≧3700/0.92 =4021.74kVA。

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

所以所選變壓器單臺容量應(yīng)不小于4021.74kVA。

（三）根據(jù)變壓器運行方式選擇

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)供電部門對功率因數(shù)有所要求，一般按不小于0.92考慮。若負荷等級按一級考慮需兩臺變壓器時，可一用一備或兩臺同時運行。

若采用一用一備運行方式，雖然相對于變壓器本身而言其運行、維護等方面較為簡便，但是所需變壓器容量較大增大，工程建設(shè)投資及運營成本較高。綜合考慮下，在實際過程中往往按兩臺變壓器同時運行考慮。根據(jù)《35k～110kV變電所設(shè)計規(guī)范》（GB50059-92），主變壓器臺數(shù)為2臺及以上時，當一臺變壓器斷開（故障、日常維修等）時，其余變壓器應(yīng)能滿足站場一、二級負荷，且不應(yīng)低于總負荷的60%。此時需要考慮負荷實際特點來確定。

（四）根據(jù)變壓器過載能力選擇

比如燃煤燃氣行業(yè)，冬季鍋爐設(shè)備啟用，造成全場負荷偏大，夏季鍋爐停止運行，負荷偏小，造成冬季、夏季負荷不同；機械制造行業(yè)中加工機床、切割機等設(shè)備白天運行，晚上停止，造成白天、夜間負荷差異較大。對于這類情況，需結(jié)合負荷最大值，負荷平均值，過載能力、經(jīng)濟性綜合考慮，來確定一個相對較為合理的負荷值來進行變壓器選擇。在實際過程中由于負荷波動較大，持續(xù)時間短，因此可考慮不超過1.1倍變壓器容量來進行綜合考慮。

（五）根據(jù)最佳負載率來選擇

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

但在工作當中設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)，選擇變壓器容量時，容量為1600kVA、2000kVA時負載率均在此范圍內(nèi)，這就無可避免讓設(shè)計人員感到疑惑，不知該如何正確選擇變壓器容量。此時變壓器經(jīng)濟運行問題研究將顯得非常重要。參考《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》相關(guān)變壓器能效評價內(nèi)容，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范可知，經(jīng)濟運行最佳負載率一般取值0.6～0.7范圍最為合適。

例1中，單臺變壓器容量選擇應(yīng)大于4565.22kVA。變壓器容量、負載率確定見表1：

（六）其他因素

除了以上方面選擇變壓器臺數(shù)、容量時，還應(yīng)根據(jù)用電負荷特點來進行選擇。比如集氣站用電，一般井場較多。雖然單臺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，其電纜損耗、用電負荷決定變壓器供電半徑。

舉例如下：某項目有井口有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10%時，確定0.4kV架空線截面和供電半徑。見表2：

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

二、總結(jié)

綜上所述，針對電氣設(shè)計中所遇到的變壓器優(yōu)化設(shè)計和容量選擇問題，具體應(yīng)從實際計算負荷、負荷等級、變壓器運行方式、過載能力、最佳負載率以及負荷分布等情況進行綜合分析，進行最優(yōu)化工業(yè)電力設(shè)計和變壓器選型，從而滿足安全、技術(shù)、經(jīng)濟要求。

參考文獻：

[1]《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50052-2009，中國機械工業(yè)聯(lián)合會，中國計劃出版社.

[2]電力工程電氣設(shè)計手冊，能源部西北電力設(shè)計院編，中國電力出版社.

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