企业变电所的主变压器向整个企业所有设备供电,正确地选择主变压器的台数和容量对供电的可靠性和经济性有着重要意义。主变压器应根据负荷类别、总的计算负荷选择台数和容量,并考虑留有发展余地。请你结合实际谈谈企业变电所变压器的选择。
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变压器容量的选择与计算
【摘要】 电力变压器是供配电系统中必不可少且应用极广的设备,正确合理地选择变压器,是电力系统经济、安全、可靠地运行的保证,在节能降耗方面也有重要意义。本文详细地阐述了根据系统负荷选择变压器的方法和步骤。
【关键词】变压器 计算负荷 无功补偿
电力变压器是供电系统中的关键设备,其主要功能是升压或降压以利于电能的合理输送、分配和使用,对变电所主接线的形式及其可靠与经济有着重要影响。所以,正确合理地选择变压器的类型、台数和容量,是主接线设计中一个主要问题。
一、台数选择
变压器的台数一般根据负荷等级、用电容量和经济运行等条件综合考虑确定。当符合下列条件之一时,宜装设两台及以上变压器:
1.有大量一级或二级负荷 在变压器出现故障或检修时,多台变压器可保证一、二级负荷的供电可靠性。当仅有少量二级负荷时,也可装设一台变压器,但变电所低压侧必须有足够容量的联络电源作为备用。
2.季节性负荷变化较大 根据实际负荷的大小,相应投入变压器的台数,可做到经济运行、节约电能。
3.集中负荷容量较大 虽为三级负荷,但一台变压器供电容量不够,这时也应装设两台及以上变压器。
当备用电源容量受到限制时,宜将重要负荷集中并且与非重要负荷分别由不同的变压器供电,以方便备用电源的切换。
二、容量选择
变压器容量的选择,要根据它所带设备的计算负荷,还有所带负荷的种类和特点来确定。首先要准确求计算负荷,计算负荷是供电设计计算的基本依据。确定计算负荷目前最常用的一种方法是需要系数法,按需要系数法确定三相用电设备组计算负荷的基本公式为:
有功计算负荷(kw)
无功计算负荷(kvar)
视在计算负荷(kvA)
计算电流(A)
式中 ——用电设备所在电网的额定电压(kv);
——需要系数;
例如:某380V线路上,接有水泵电动机5台,共200kW,另有通风机5台共55kW,确定线路上总的计算负荷的步骤为
(1)水泵电动机组 查表得=0.7~0.8(取=0.8),,,因此
(2)通风机组 查表得=0.7~0.8(取=0.8),,,因此
考虑各组用电设备的同时系数,取有功负荷的为,无功负荷的为,总计算负荷为
计算出设备的计算负荷后,就可选择变压器了。变压器的容量首先应保证在计算负荷下变压器长期可靠运行。
对仅有一台变压器运行的变电所,变压器容量应满足下列条件
考虑到节能和留有余量,变压器的负荷率一般取70%~85%。
对两台变压器运行的变电所,通常采用等容量的变压器,每台容量应同时满足以下两个条件:
①满足总计算负荷70%的需要,即 ;
②满足全部一、二级负荷的需要,即。
条件①是考虑到两台变压器运行时,每台变压器各承受总计算负荷的50%,负载率约为0.7,此时变压器效率较高。而在事故情况下,一台变压器承受总计算负荷时,只过载40%,可继续运行一段时间。在此时间内,完全有可能调整生产,可切除三级负荷。条件②是考虑在事故情况下,一台变压器仍能保证一、二级负荷的供电。
当选用不同容量的两台变压器时,每台变压器的容量可按下列条件选择: 且
另外,变压器的容量应满足大型电动机及其他冲击负荷的起动要求,并满足今后5-10年负荷增长的需要。
再回到上例中,综合计算结果为:
组别 额定功率 需要系数 功率因数 功率因数正切 有功功率 无功功率 视在功率 有功功率同期系数(0.8~0.9) 无功功率同期系数(0.93~0.97)
用电设备 Pe(kW) Kd cosφ tgφ Pjs(kW) Qjs(kvar) Sjs(kV.A) Kp Kq
水泵电动机 200 0.8 0.8 0.75 160 120 200
通风机 55 0.8 0.8 0.75 44 33 55
合计 255 204 153 255
同时系数 0.794 0.766 193.8 148.4 244.1 0.95 0.97
按照变压器的负荷率一般取70%~85%(这里取70%)进行计算:
所选变压器的容量为:244/0.7=348.6kvA
故可选400kvA的变压器。
若有无功功率补偿装置,可使供电系统的电能损耗和电压损耗降低,从而可选较小容量的电力变压器。如上例情况,在没有功率补偿装置时,功率因数为0.794,达不到国家标准,造成电能浪费,假设要使功率因数提高到0.95,无功补偿容量QN.C应为:
kvar
所以经补偿后的结果为:
组别 额定功率 需要系数 功率因数 功率因数正切 有功功率 无功功率 视在功率 有功功率同期系数(0.8~0.9) 无功功率同期系数(0.93~0.97)
用电设备 Pe(kW) Kd cosφ tgφ Pjs(kW) Qjs(kvar) Sjs(kV.A) Kp Kq
水泵电动机 200 0.8 0.8 0.75 160 120 200
通风机 55 0.8 0.8 0.75 44 33 55
合计 255 204 153 255
同时系数 0.794 0.766 193.8 148.4 244.1 0.95 0.97
电容补偿 84.71
补偿后 0.95 0.33 193.8 63.7 204
这时可以算出有补偿装置后,变压器所选的容量为:204/0.7=291.4因此可以用315kvA的变压器就可以了。由此可见,利用无功补偿提高功率因数,可以减少投资和节约有色金属,对整个供电系统大有好处。
综上所述,电力变压器的选择取决于计算负荷,而计算负荷又与系统中的负荷大小和负荷特性以及系统中的功率补偿装置有关。了解了这两点,可以根据实际情况灵活选择变压器的容量,电力变压器在运行中,其负荷总是变化的,在必要时允许过负荷运行,但是,对室内变压器,过负荷不得超过20%;对室外变压器,过负荷不得超过30%。
发电厂主变压器容量和台数的确定:
对于单元接线的发电机变压器组,如果设计时不考虑采用扩大单元或分裂低压绕组的变压器,它的容量和台数就没有必要进行很多计算,均按发电机标准规范配套即可。在具有发电机电压母线的电厂和地区负荷很多的情况下,则要求选定两台或三台适当容量的升压变压器。从设备简单、可靠性高的角度考虑,一般优先设置两台容量相同的升压变压器。确定变压器容量的原则应以地区负荷最低时发电机的功率能全部送出,同时,考虑地区负荷最大时,允许系统倒送一部分功率,以保证全部用户的需要。变压器检修可考虑与发电机检修同时进行。当一台变压器故障时,其余变压器允许过负荷并加强冷却,保证能送出75%以上的电源功率。
若设计的主接线有几个方案,其中变压器台数和容量也不同时,应进行比较后才能确定。设计时,需要计算和考虑以下几个问题。
(一)电能损耗计算
令ΔA为年电能损耗(千瓦·小时)。双绕组变压器采用下式计算:
ΔA=∑[n(ΔPo+KΔQo)+(1/n)(ΔP+KΔQ)(S/Sn)2]t
式中 n---相同的变压器台数;Sn---每台变压器额定容量(千伏安);S---n台变压器担负的总负荷(千伏安);t--对应负荷S使用的小时数;t---对应负荷S使用的小时数;ΔPo、ΔQo ---每台变压器的空载有功损耗(千瓦)、无功损耗(千伏安);ΔP、ΔQ---每台变压器的短路有功损耗(千瓦)、无功损耗(千伏安);K---单位无功损耗引起的有功损耗系数,发电机母线上的变压器取0.02,系统中的变压器取0.1-0.15。
三绕组变压器容量比为100/100/100、100/100/66.6、100/100/50者,可采用下式计算(式中空载和短路损耗是以第三绕组开路定出的)。
ΔA=∑{n(ΔPo+KΔQo)+(1/2n)(ΔP+KΔQ)[(S1/Sn)2+(S2/Sn)2+(S3S3/SnS3n)]}t
式中S1、S2、S3--n台变压器第一、二、三侧所担负的总负荷(千伏安);S3n---第三绕组的额定容量(千伏安)。假设第三绕组等效电阻R3与容量成反比即R3=SnR1/S3n,R1为原方(第一)绕组等效电阻。当容量为100/100时,第一、二绕组损耗相等各为1/2,即R1=R2。
三卷变压器容量比为100/66.6/66.6时按下式计算:
ΔA=∑{n(ΔPo+KΔQo)+(1/1.83n)(ΔP+KΔQ)[(S1/Sn)2+(S2S2/SnS2n)+(S3S3/SnS3n)]}t
式中S2n、S3n---第二、三绕组的额定容量(千伏安)。假设第二、三绕组的电阻R2、R3为折算后的等效值,均与容量成反比。而且额定损耗是以第二绕组带2/3的负荷,第三绕组带1/3的负荷下计算的。设R1为额定损耗下原方绕组的等效电阻,则额定损耗总等效电阻为R1*1+(2/3)2(3R1/2)+(1/3)2(3R1/2)=1.83R1
如容量比为100/50/50,则上式中1.83应该为2,S2n=S3n,公式仍可应用。
(二)计算综合造价和运行费
1.综合造价P
P=I(1+a/100) 式中I---主体设备投资,包括变压器、母线、配电装置及明显的增修桥梁、公路和拆迁等费用; a---不明显的附加费用比例系数,如基础加工、电缆沟道开挖费用等,220千伏取70,110千伏取90。
2.年运行费C
年运行费包括电能损耗价值及检修、维护、折旧费等。
C=aΔA+C1+C2 式中ΔA--电能损失;a--电能损失折算系数,取为每千瓦小时平均售价,我国各大系统约为6--8分/千瓦·小时;C1---检修维护费,取(0.022-0.042)P;C2--折旧费等,取0.058P。
(三)确定方案
从以上算出综合造价P和年运行费C后,如有两个方案在技术上相当,则一般应优先采用P和C均较小的方案。若两个方案中,第一方案综合造价高而年运行费低,第二方案综合造价低而年运行费高,则用偿还年限T来决定。
T=(P1-P2)/(C2-C1)
T如小于5-8年,则采用综合造价高的第一方案。
对于系统设计,损耗大而运行费高时,应按一定比例增加补偿容量的综合投资,例如上述第二方案中,须将P2略为增大。
如技术上相当的方案数目超过两个以上时,为了便于比较,常采用计算费用最小的方法,即 Cc=P/T+C 式中 Cc---计算费用。
将各方案的Cc算出后,取其中Cc值最小的一个方案。
除上述两种确定方案的方法外,尚有一种方法。因有时可能出现P和C均较小,但技术上存在某种几率下少送电的情况。设此少送电量为A,出现的概率为P1,K1为少送一度电的产值损失系数,则少送电量的损失价值为P1Ak1。
K1是计及一度电可能产生的产品价值和少送一度电可能造成的损失而采用的系数,有的国家取为(1000-2000)[发电成本(元/度)],按我国电费计,K值约为10元/度。P1出现的概率多属于稀少的情况,约在1%左右,若P1之值过大,便说明原提出的比较方案是不恰当的。
现在可用下式求出产值损失偿还年T1,供确定两种方案时参考。
T1=(P1-P2)/[P1AK1-(C1-C2)]
上式中假定第二方案的综合造价P2和年运行费用C2均比第一方案的P1和C1小。T1为产值损失偿还年,此与工业发展水平和经济政策有关,希望既不积压资金,又不造成偶然性的过大损失。如果T1小于3年,则采用投资较大的方案。
变压器(英语:Transformer)是应用法拉第电磁感应定律而升高或降低电压的装置。 变压器通常包含两组或以上的线圈。主要用途是升降交流电的电压、改变阻抗及分隔电路。
变压器外形图
一个理想的降压变压器,此图画出了变压器芯中的磁通量。
变压器的电路图
一个简单的单相变压器由两块导电体组成。当其中一块导电体有一些不定量的电流 (如交流电或脉冲式的直流电) 通过,便会产生变动的磁场。根据电磁的互感原理,这变动的磁场会使第二块导电体产生电势差。假如第二块导电体是一条闭合电路的一部份,那么该闭合电路便会产生电流。电力于是得以传送。 在通用的变压器中,有关的导电体是由 (多数为铜质的) 电线组成线圈,因为线圈所产生的磁场要比一条笔直的电线大得多。可以参照萨顿斯(Satons)(4008009085)的产品选型手册。 变压器的原理是由变化的电压加到原线圈在磁芯上产生变化的磁场,从而激发其他线圈产生变化的电动势。原线圈、副线圈的电压 VS, VP 和两者的绕线的匝数 NS, NP 之间有正比的关系:
至于变压器两方之间的电流或电压比例,则取决于两方电路线圈的圈数。圈数较多的一方电压较高但电流较小,反之亦然。 如果撇除泄漏等因素,变压器两方的电压比例相等于两方的线圈圈数比例,亦即电压与圈数成正比。以算式表示如下:
能量损失
理想的变压器没有能量流失,所以拥有 100% 效率。在现实之中,大容量的变压器的效率可达 98%;但小型的变压器流失会较严重,而它们的效率可能低于 85%。 变压器的能量流失可以来自这些现象: (在以下叙述中,线圈内的导磁体一律称为“铁芯”)
铜损,线圈的电阻:电流通过导电体时产生热能(电流要较高,发出的热人体才感觉的到),造成能量损失。和其他种类的流失不同,这种流失并不是来自变压器的铁芯。
涡流损:磁力使铁芯产生环回电流,导致能量化成热并流失至外界。把铁芯切成不相通的薄片可以减少这种流失。
磁力流失:所有未被输出方线圈接收的磁场线均会造成能量流失。
磁滞损:铁芯的滞后作用使每次磁场改变时造成能量流失。这种流失的大小取决于铁芯的原料。
力流失:交替的磁场使导线、铁芯与附近的金属之间的电磁力产生变化,结果形成振动和能量流失。
磁致伸缩:交替的磁场使铁芯出现伸缩。如果铁芯的原料容易受伸缩影响,分子之间的摩擦会导致能量流失。
冷却设备:大型的变压器一般配备冷却用的电风扇、油泵或注水的散热器。这些设备所使用的能量一般亦算作变压器的能量流失
综上基础变压器理论,我们在企业使用变压器的选择上,需要根据总的功率使用公式计算:
式中 Pimax——出线的最大负荷,
cosΦi出线的自然功率因数;
Kt——同时系数,其大小由出线回路数决定,出线回路数越多其值越小,一般在0.8~0.95之间,α%——线损率,取5%。三绕组变压器还应该考虑中、低压侧间的负荷同时系数,中、低压侧的最大综合计算负荷分别上式计算,总的最大综合计算负荷为它们之和再乘以中、低压侧间负荷的同时系数。在实际的工作中还应考虑负载类型,阻性负载和感性负载在选择时应注意发热系数。
首先要调查用电地方的电源电压,用户的实际用电负荷和所在地方的条件;
然后参照变压器铭牌标示的技术数据逐一选择,一般应从变压器容量、电压、电流及环境条件综合考虑,其中容量选择应根据用户用电设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量,以此来选择变压器容量。
在正常运行时,应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75~90左右。运行中如实测出变压器实际承受负荷50小于时,应更换小容量变压器,如大于变压器额定容量应立即更换大变压器。
同时,在选择变压器根据线路电源决定变压器的初级线圈电压值,根据用电设备选择次级线圈的电压值,最好选为低压三相四线制供电。这样可同时提供动力用电和照明用电。对于电流的选择要注意负荷在电动机起动时能满足电动机的要求(因为电动机起动电流要比下沉运行时大4~7倍)。
(1)变压器的容量选择的一般原则
变压器容量应根据计算负荷选择。确定一台变压器的容量时,应首先确定变压器的负荷率。变压器当空载损耗等于负荷率平方乘以负载损耗时效率最高,在效率最高点变压器的负荷率为63%~67%之间,对平稳负荷供电的单台变压器,负荷率一般在85%左右。但这仅仅是从节电的角度出发得出的结论,是不够全面的。值得考虑的重要元素还有运行变压器的各种经济费用,包括固定资产投资、年运行费、折旧费、税金、保险费和一些其他名目的费用。选择变压器容量时,适当提高变压器的负荷率以减少变压器的台数或容量,即牺牲运行效率,降低一次投资,也只是一种选择。
(2)当安装两台及以上主变时,每台容量的选择应安照其中任何一台停运时,其余的容量至少能保证所供一级负荷或为变电所全部负荷的60~75%,通常一次变电所采用75%,二次变电所采用60%。
变压器一次侧功率因数与负荷率有关,满载运行时一次侧功率因数比二次侧低3~5%,负荷率小于60%时一次侧功率因数比二次侧低11%~18%。负荷率高对高压侧提高功率因数有利。负荷率高,断路器容量也大,投资也会有所增加。
(3)低压为0.4kV变电所中单台变压器的容量不宜大于1600kVA,当用电设备容量较大,负荷集中且运行合理时可选用2000kVA及以上容量的变压器。近几年来有些厂家已能生产大容量的ME、AH型低压断路器及限流低压断路器,在民用建筑中采用1250KVA及1600KVA的变压器比较多,特别是1250KVA更多些,故推荐变压器的单台容量不宜大于1250KVA。
选择变压器时,必须对负载的大小、性质作深入的了解,然后按照设备功率的确定方法选择适当的容量。为了降低电能损耗,变压器应该首选低损耗节能型。当厂区配电母线电压偏差不能满足要求时,总降压变电所可选用有载调压变压器。车间变电所一般采用普通变压器。变压器容量的确定除考虑正常负荷外,还应考虑到变压器的过负荷能力和经济运行条件。
1、 电力变压器的过负荷能力
变压器在正常运行时,负荷不应超过其额定容量。但是,变压器并非总在最大负荷下运行,在许多时间内变压器的实际负荷远小于变压器额定容量,因此,变压器在不降低规定使用寿命的条件下具有一定的短期过负荷能力。变压器过负荷能力,分正常过负荷能力和事故过负荷能力两种。
(1)、正常过负荷能力。变压器在正常运行时带额定负荷可连续运行20年。由于昼夜负荷变化和季节性负荷差异而允许的变压器过负荷,称为正常过负荷。这种过负荷系数的总数,对室外变压器不超过30%,对室内变压器不超过20%
(2)、事故过负荷能力。当电力系统或工厂变电所发生事故时,为了保证对重要设备连续供电,故允许变压器短时间的过负荷,这种过负荷即事故过负荷。
2、主变压器台数的选择原则
(1)、应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所应采用两台变压器,对只有二级负荷,而无一级负荷的变电所,也可只采用一台变压器,并在低压侧架设与其他变电所的联络线。
(2)、对季节性负荷或昼夜负荷变动较大的工厂变电所,可采用两台主变压器。
(3)、一般的三级负荷只采用一台变压器。
(4)、考虑负荷的发展,应留有安装第二台主变压器的空间。
3、主变压器容量的选择
(1)、只安装一台主变压器时,主变压器的额定容量SN.T应满足全部用电设备总的计算负荷S30的需要:
SN.T≥S30
(2)、装有两台变压器时,每台主变压器的额定容量ST.N应同时满足以下两个条件:
SN.T≥S30
SN.T≥S(I+II)
式中S(I+II)是计算负荷中的全部一、二级负荷。
(3)、单台主变压器的容量上限。工厂变电所单台主变压器容量一般不宜大于1250KVA。在负荷比较集中而且较大时,也可选用1600~2500KVA的配电变压器,这时变压器低压侧的断路器必须配套使用。
单台变压器的车间变电所主变容量一般不能大于1000KVA。
对装在楼上的电力变压器,单台容量不宜大于630KVA。
对居住小区变电所,单台油侵式变压器容量不宜大于630KVA。
变压器台数的选择:
变压器的台数一般根据负荷等级 、用电容量和经济运行等条件综合考虑确定 10 kV 及以下变电所设计规范 GB50053 94中规定,当符合以下条件之一时,宜装设 2 台及 2 台以上的变压器:
(1)有大量一级或二级负荷;
(2)季节性负荷变化较大;
(3)集中负荷容量较大
变电所中单台变压器(低压为0.4 kV )容量不宜大于1 250 kVA当用电设备容量较大 负荷集中且运行合理时,可选用较大容量的变压器。
在一般情况下,动力和照明宜共用变压器 当属下列情况之一时,可设专用变压器:
(1)当照明负荷较大或动力和照明采用共用变压器严重影响照明质量及灯泡寿命时,可设照明专用变压器;
(2)单台单相负荷较大时,宜设单相变压器;
(3)冲击性负荷较大,严重影响电能质量时,可设冲击负荷专用变压器;
(4)在电源系统不接地或经阻抗接地,电气装置外露导电体就地接地系统(IT 系统)的低压电网中,照明负荷应设专用变压器。
变压器容量的选择:
众所周知,变压器在传递电能的过程中,本身要消耗一定的功率。有关资料显示,变压器的总电能损耗约占整个电力系统全部损失的 1/3左右因此,准确合理地选择变压器最佳经济容量是降耗节能的手段之一。
平时我们在选用配电变压器时,如果把容量选择过大,就会形成“大马拉小车”的现象。这不仅增加了设备投资,而且还会使变压器长期处于空载状态,使无功损失增加。如果变压器容量选择过小,将会使变压器长期处与过负荷状态,易烧毁变压器。因此,正确选择变压器容量是电网降损节能的重要措施之一。
在实际应用中,我们可以根据以下的简便方法来选择变压器容量。本着“小容量,密布点”的原则,配电变压器应尽量位于负荷中心,供电半径不超过0.5千米。配电变压器的负载率0.5
~0.6之间效率最高,此时变压器的容量称为经济容量。如果负载比较稳定,连续生产的情况可按经济容量选择变压器容量。
对于变电所或用电负荷较大的工矿企业,一般采用母子变压器供电方式,其中一台(母变压器)按最大负荷配置,另一台(子变压器)按低负荷状态选择,就可以大大提高配电变压器利用率,降低配电变压器的空载损耗。在负荷变化较大时,根据电能损耗最低的原则,投入不同容量的变压器。
变压器的容量是在负荷统计的基础上选定的。由于负荷预计不容易做准,—般按预计的最大负荷选择。这样选的结果,往往容量设置偏大,给电力系统的运行带来不利影响。若按经济运行选择,就是利用变压器的铜损与铁损相等的条件,导出变压器的最大经济负载率及变压器额定容量与最大负荷比。由于实际运行负荷不一定就是负荷统计出的最大负荷,且负荷是随机的,运行效率是变动的,其经济运行效益很难实现。
当前在配电系统中正在利用新型低损耗变压器替换高能耗变压器,单铁损一项就降低大约40%。由于配电变压器数量大,负荷变动也大,其经济效益是十分显著的。因此,我们认为如何充分利用变压器的设置容量,而又不损害变压器的正常使用寿命,应该成为选择配电变压器容量标准。
企业装有两台主变压器的变电所要满足一下要求:
1.凡选用两台变压器的变电所,任一台变压器单独投入运行时,必须能满足变电所总计算
负荷70%的需要和一,二级负荷的需要.
2. 企业总降变电所主变压器的选择
对第三级负荷供电的总降变电所,或者有少量一,二级负荷,但可由邻近企业取得备
用电源时,可只装设一台主变压器;其额定容量应大于企业全部车间变电所计算负荷的总和,
并考虑15~25%的富裕.
3.当企业中一,二级负荷占全部负荷比重较大时,应装设两台主变压器,两台主变压器
之间互为备用.当一台出现事故或检修时,另一台能承担全部一,二级负荷.
4.变压器要经济运行, 所谓变压器的经济运行,是指变压器在功率损耗最小的情况下的运行方式.这样使电能损耗最小,运行费用最低.