工程设计中如何合理选择变压器

殷文荣， 颜宏勇

(启迪设计集团股份有限公司，苏州 215021)

0 引言

变压器是变电所内重要组件，是电气系统的核心设备，合理选择变压器可以保证工程电气系统安全可靠、经济有效运行。本文笔者即针对变压器各常见参数进行探讨，附建式变电所内配电变压器(10kV、20kV/400V)的选择方法，为同行设计师提供一些参考。

1 变压器类型

工业与民用供配电设计手册中，关于各类变压器的性能比较详见表1。

各类变压器性能比较 表1

根据表1可知，干式变压器具有安装面积小、绝缘等级高、耐潮性能好、噪音小等一系列优势，是附建变电所内变压器的最佳选择。非晶合金变压器，虽然体积更小、空载损耗也更低，但由于其噪音偏大、价格也偏贵，经济耐用性较电工钢带变压器差，应用不够广泛。

常用干式变压器型号为SCB型：S(三相)；C(浇注式)；B(绝缘温度130℃)。依据JB/T 3837-2016表B.7，干变损耗水平代号为10～13、15、16，“15、16”只适用于非晶合金干式变压器。结合 GB 20052-2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》4.4条规定，干式配电变压器空载损耗值和负载损耗值均应不高于规定数值，总结见表2。

变压器损耗与能效等级对比 表2

由表2可知，SCB10、11对应NX3；SCB12对应NX2；SCB13对应NX1，但损耗水平和能效等级是两个不同的概念，不能完全互换，选择变压器时应同时考虑。干式变压器损耗水平是允许偏差的，Po+Pk允许偏差+10%，Po空载损耗和Pk负载损耗均允许+15%的偏差，同时满足这两个条件，变压器产品合格。干式变压器能效等级分为三级，干变必需NX2级以上，且损耗不允许正偏差。

2 变压器容量

施工图阶段需要通过详细的负荷计算(需要系数法)最终确定变压器容量，项目负荷计算前，需要对项目作出详细的负荷等级分析和供电方式选择。

依据《火灾自动报警系统设计规范》《民用建筑电气设计规范》及各类建筑的行业规范，综合确定项目所有负荷的定级。负荷分级确定后，需要对以下几类工况作出负荷统计：(1)非火灾时两路高压停电后需保障负荷Pe1。(2)火灾时两路高压停电后需保障负荷Pe2。(3)一路高压停电情况下需保障负荷Pe3。根据规范对各级负荷的供电要求，Pe1和Pe2的较大者可作为发电机容量选择依据，Pe3为单路电源需保障负荷。

例：某山地精品酒店占地约2万m2，分为公区、客房、别墅等多个子项，项目面积不大，满足三星级标准，按照规范要求，用电负荷分为二、三级两种。二级负荷主要包含：消防风机、消防水泵、应急照明等消防设备用电，经营及设备管理用计算机系统用电，宴会厅、餐厅、厨房、康乐设施、门厅、主要通道等场所照明用电，厨房、排水泵、生活水泵、客梯用电，计算机、电话、电声和录像设备、新闻摄影用电。其他负荷为三级负荷。按三种工况进行负荷统计，并进行负荷计算，具体见表3。

表3中，灰色底纹部分为业主及顾问公司要求，另行增加供电连续性要求的负荷。本项目用地紧张，第三路电源考虑接入临时发电车，设计预留接口。根据上述统计：Pe2=945kW>Pe1=414kW；Pe3=2 395kW。

负荷统计表 表3

续表3

由表4可知，可采用两台1 250kVA变压器，而一路电源停电的情况下，需保障的负荷Pe3=2 395kW，大于1 250kVA，变压器选择不合理。解决办法有两种，高压侧母联或者是加大变压器容量(或台数)。经咨询，所举例工程的当地供电公司不同意高压侧母联，只能采用第二种办法解决。考虑本项目为山地项目，爆破开挖成本很高，增加台数会大大增加变电所面积，最终采用加大单台变压器容量，采用2×2 000kVA，低压侧联络。

变压器负荷计算时，变压器的长期负荷率不宜大于85%，留有一定裕量，便于后续电量增加。当有大量一、二级负荷或季节性负荷变化较大时，应设置两台及以上变压器，任一台断开，其余变压器应能满足一、二级负荷用电。变压器容量应按自然冷却选择，不能按强迫风冷选择。

变压器负荷计算 表4

注：1T1#变压器负载率=Sjs/So×100%，2T1#变压器负载率=Sjs/So×100%

3 变压器连接组别

三相变压器的联结组别，根据绕组联结成星形、三角形、曲折形，标法不同。高低压绕组分别对应Y、D、Z和y、d、z，有中性点引出时，分别对应YN、ZN和yn、zn(三角形无中性点)。GB/T 10228-2015《干式电力变压器技术参数和要求》4.1条规定了配电变压器联结组别号Yyn0和Dyn11，对比见表5。

Dyn11变压器的高压D绕组可以使三次谐波电流形成环流，不致注入公共高压电网，不会影响电网质量，另外Dyn11变压器的中性线允许电流也要壁Yyn0大的多。故GB 50053-2013《20kV及以下变电所设计规范》3.3.7条、JGJ/T16-2008《民用建筑电气设计规范》4.3.4条推荐优先采用Dyn11联结变压器。

4 变压器调压方式及分接头选择

三相变压器的调压方式一般分为有载和无载：有载调压就是变压器正常带载运行的情况下，调电压分接开关。无载调压就是变压器停止运行的情况下，调电压分接开关。对比见表6。

配电变压器常用联结组和适用范围 表5

有载调压变压器安装时，需相应增加调压开关柜，多占面积也增加了故障点。我国电网质量相对比较稳定，在满足用户需求的前提下，工程设计中应尽量选用无载调压变压器。

变压器分接头一般设置在高压绕组侧，GB/T 10228-2015《干式电力变压器技术参数和要求》4.1条规定了配电变压器的分接头选择范围±5%，±2×2.5%，笔者建议采用五档调节±2×2.5%。当电网电压相对偏高时，应选择+3×2.5%，-1×2.5%，当电网电压相对偏低时，应选择+1×2.5%，-3×2.5%。具体要根据当地电网实际情况选择确定分接头，如用电相对集中的经济发达沿海地区，可采用+3×2.5%，-1×2.5%，用电偏远地区可采用+1×2.5%，-3×2.5%。

两种调压变压器对比 表6

5 变压器工频耐压

参见表7可知，GB 1094.11-2007《电力变压器 第11部分：干式变压器》与IEC 60076-11-2004标准基本一致，只是根据我国国情局部修改：设备最高电压“36kV”改为“40.5kV”，额定短时外施耐受电压“28kV”改为“35kV”。GB/T 50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》在GB 1094.11基础上做了进一步提高。可以看出常用民用10kV、20kV配电变压器工频耐压分别对应35kV和55kV。

变压器工频耐压 表7

6 变压器阻抗电压

阻抗电压是变压器的重要经济指标，影响到变压器的效率、成本等。变压器的二次侧绕组短路，一次侧绕组电压逐渐加大，当二次侧短路电流达到额定电流时，一次侧所加的电压(短路电压)与额定电压的百分比值就是阻抗电压Uk(%)。同容量变压器阻抗电压对比参见表8。

同容量变压器阻抗电压对比 表8

一般来说，电压等级越高，容量越大，阻抗电压数值越大。正常运行时，变压器阻抗越小，电压波动受负载变化的影响越小；变压器阻抗越大，变压

变压器容量及阻抗电压值 表9

器出口处短路电流越小。不同容量的变压器对应的阻抗电压值，GB/T 10228-2015《干式电力变压器技术参数和要求》4.1条有相关规定，参见表9。

其中630kVA、1 600kVA、2 000kVA、2 500kVA四种变压器有两种阻抗电压可以选择。从电网的运行角度来讲，阻抗电压宜选低，电压变动小，电压质量容易控制；从用户的角度来讲，阻抗电压宜选高，短路电流得到控制，带载能力增强。阻抗电压参数还要结合当地供电部门意见，双方协商确定。

7 其他

7.1 变压器防护等级，依据工业与民用供配电设计手册

根据使用环境特征及防护要求，干式变压器可选择不同的外壳，户内配电变压器通常选用的IP20防护外壳即可，供电部门考虑安全性要求，一般均要求IP40。提高防护等级，有利于变电所布置，有效减少占地面积，也节省了很多变压器与配电柜之间的连接铜排、电缆及绝缘材料等。但防护等级越高，散热越差，不利于变压器本身的散热，会导致变压器运行容量降低、加快变压器绝缘老化等。故IP40安装时，通常会考虑底部抬高和顶部加高的做法，增加进排风面积，IP40变压器一般只考虑风冷(AF)变压器。目前较常见做法是，变压器外壳采用IP20，内寸满足IP40要求的不锈钢丝网。

变压器外壳(防护外壳)与变压器室墙壁和门的最小净距 表10

变压器防护外壳的最小净距 表11

①变压器外壳的门应为可拆卸式。

当变压器外壳的门为不可拆卸式时，其B值应是门扇的宽度c加变压器宽度b之和再加0.3m。变压器外壳(防护外壳)与变压器室墙壁和门的最小净距及变压器防护外壳的最小净距详见表10～11。多台干式变压器外壳布置图见图1。

(a)变压器之间A值；(b)变压器之间B值图1 多台干式变压器外壳布置

7.2 干式变压器的冷却方式

干式变压器的冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)，对自然空冷和强迫风冷的变压器，均需保证其良好通风。在自然空冷工况下，变压器可额定长期运行。强迫风冷时，当绕组达到一定温度，系统自动启动风机进行冷却；当绕组温度下降到变压器规定值时，风机自动停止。强迫风冷状态下，变压器可达到更大容量运行，适用于应急过负荷运行。由于过负荷时处于非经济运行状态，长期过负荷会加速变压器老化，缩短变压器寿命，同时对母线和二次回路均提出更高要求。故干式变压器不应长时间连续过负荷运行，一般不超过0.5h。

7.3 干式变压器温控

温度是影响变压器绝缘的关键因素，干式变压器的寿命与其绝缘老化有关，相同变压器的运行情况不同，寿命也不同。温升过高时，变压器损失寿命将加倍，故变压器应设置超高温跳闸，一般630kVA及以上的干变均应设温控装置。变压器温控主要控制超温报警和超高温跳闸，超温报警时，应采取减载(非重要负荷)措施，以确保对主要负荷的安全供电。超高温跳闸时，应立即切除故障，恢复电力系统正常运行。

例：依据变压器各参数选择要求，上述负荷计算所举例酒店最终变压器选择为：“SCB12.NX2-2000/10 10±2x2.5%/0.4kV DYn11 工频耐压35kV △Uk%=6% IP40 AF风冷 温控”。

8 结束语