民用建筑配电变压器容量的选择

铁道第三勘察设计院有限公司 侯瑞云

随着社会的巨大发展，人民生活水平日益提高，社会生产生活用电需求越来越大，民用建筑配电变压器的单台容量越来越大，台数也随之增多。民用建筑配电变压器主要用来连接高压供电网络与建筑中末端负荷，是建筑供配电系统中的关键设备。据统计，我国目前35kV 及以下的配电变压器占所有在网运行变压器台数的50%以上，其中大部分为民用配电变压器。所以民用配电变压器容量的合理选择不仅影响供电的可靠性，也决定了初期投资成本和运营的经济性，而且变压器的低耗能还具有节能环保意义，尤其是在当前减少碳排放和节能降耗的大环境之下，符合国家的节能政策。

1 配电变压器容量选择的依据

配电变压器的选择应根据建筑物的性质、负荷属性和环境条件确定，并选用低损耗、低噪声的节能型变压器。变压器容量的选择过程中常采用三个依据：

1.1 长期工作负载率

依据《民用建筑电气设计标准》（GB51348-2019）4.3.2条及其条文说明规定：配电变压器的长期工作负载率考虑经济运行不宜大于85%；当有一级和二级负荷时，宜装设两台及以上变压器，当一台变压器停运时，其余变压器容量应满足一级和二级负荷用电需求。当两台变压器设有联结、一台变压器停运时，可利用变压器强冷措施，允许不超过30%短时过载。

变压器的负载率定义为变压器输出的视在功率与变压器额定容量之比。在相关文献中，有作者认为规范中长期工作负载率应理解为变压器年度运行负载率，而不是以计算负荷作为持续恒定负荷运行所确定的负载率。笔者认为根据计算负荷（需要负荷）的定义，此负荷热效应与实际变动负荷产生的最大热效应相等，对变压器、电缆之类是绝缘热老化程度相等。根据需要系数法进行负荷计算时，考虑了需要系数和同时系数，也就是对相关因素均进行了考虑。所以在变压器选择过程中，按照计算负荷来选择变压器是没有问题的。存在困难的只是如何确定比较理想的计算系数，即需要系数和同时系数的确定。

由于负荷种类及建筑物的类别复杂性，详细的进行负荷的分析统计计算是非常复杂的。为了工程计算方便，在负荷计算需要系数法中，引入了需要系数和同时系数，而且在相关手册中也给出了一些数据，但由于样本本身的局限性，导致在负荷计算中引用这些既有数据后得出的计算结果往往与实际运行的状态有较大偏差，所以为保证较为切合实际的结果，尽量减少理论偏差，设计过程中分析得出合理的需要系数和同时系数才是关键所在。

1.2 经济运行区间

在确保安全可靠运行及满足供电量需求的基础上，通过对变压器的合理配置，对变压器运行方式进行优化选择，最大限度降低变压器电能损耗，使选择的变压器尽量在经济运行区间运行，使得变压器高效率投运。变压器的效率特性具有最高效率时的负荷率通常很低，变压器容量不能被充分利用，而变压器容量被充分利用时其效率又不高。以节能型变压器为例，油浸式配电变压器的最佳效率点在22%～36%负荷率之间，干式变压器的最佳效率点在40%～50%负荷率之间。如果按照最大效率来核定变压器容量势必造成变压器容量过大，造成用户初期投资大量增加。

《电力变压器经济运行》（GB/T13462-2008）规定了经济运行区间。经济负载率是指变压器负载最大时，能使变压器有功损耗功率最低、即效率最高所对应的变压器负载率。规范中给出了变压器的经济运行区、最佳经济运行区和非经济运行区曲线图。双绕组变压器在运行过程中，其综合功率损耗率随负载系数呈非线性变化，在其非线性曲线中最低点为综合功率经济负载系数。

在传统认识中，非经济运行区负载率一般为30%以下，但随着变压器制造技术的变革和提升，变压器铁芯由热轧变为冷轧、又变为非合金铁芯，变压器的铁损和铜损不断下降，比如国产钢带在磁通密度1.7T 下约为0.85W/kg，非晶合金铁芯更可达到1.2T 下小于0.2W/kg 的水平，双绕组变压器经济运行区间大大变宽，如12型变压器经济运行区间下限可达到2%。简单化的采用经济负荷率选择变压器的做法是不可取的，特别是按照铜损等于铁损得出的所谓经济负荷率是不合理的，这种做法没有考虑售电单价的高低、负荷性质的差别、运行情况的变化、负荷计算的误差等，应予以摒弃。

1.3 综合能效费用

依据《配电变压器能效技术经济评价导则》提供的一种用于分析和比较配电变压器能效的技术经济方法，可让用户从经济角度更加直观的来了解、评判变压器的节能效益。此方法综合考虑了变压器的价格、损耗、负荷特点、电价等经济技术指标，指导选择更为经济且合理的配电变压器。非供电企业的配电变压器经济使用期综合能效费用包括配电变压器的初始费用、空载损耗的等效初始费用、负载损耗的等效初始费用，并与非供电企业基本电费的记取方式有关。导则中给出了按照最大电量计算基本电费和按照变压器容量计算基本电费的方法。在设计阶段，可利用综合能效费用进行相邻级别变压器的优选。在变压器运行阶段，可为用户提供成本或变压器更新时的经济评价。

综上可知，通过负荷计算得出长期负载率，在考虑一定预留发展容量的前提下，确定变压器容量，再按综合能效费用进行相关评价比选，是选择变压器容量较为合理的步骤。

2 变压器容量选择的主要影响因素

2.1 负荷计算的合理性

在日常的设计过程中，经常规计算选择的变压器容量往往过大，实测运行负载率一般都较设计理论值偏低。主要就是因为配电变压器负荷理论计算与实际负荷运行状态存在较大差异。一般常采用需要系数法进行负荷计算，并参照《工业与民用供配电设计手册》选择功率因数及同时系数，如前所述，由于其片面性出现了理论与实际的偏差，造成了较大的浪费。

为确定较为合理的功率因数及同时系数，按照建筑物的属性分析负荷类别，按照季节负荷、日负荷、小时负荷运行规律进行梳理。比如冷热源设备、雨水排水设备，可能不仅需要考虑季节，还需考虑所处地区气候情况，气温、融雪等诸多因素。在实际设计过程中，还可在充分分析运行时间的基础上，按照一个完整的工作周期，以负荷有功电能消耗与变压器满负荷电能消耗的比值来确定负载率。此分析思路也是可取的，与分析得出合理的需要系数和同时系数是如出一辙，都是为达到共同的目的。

工作周期的选择非常重要，此工作周期与民规中长期时间的定义是有关联的，按照多长时间段来计算电能消耗较为合理。对于不同的建筑应选择合适的工作周期。如学校建筑按照一个学期来计算应是比较合理的，寒暑假变压器近乎空载状态，不能算是变压器的一种长期正常工作状态。对于幼儿园、小学、中学或大学建筑，一周稳定负荷天数及每日负荷运行规律又有不同，还需特殊分析。如商务办公楼每天办公时间约10h、每周5天、全年约250天[1]，但同一地区写字楼的功率密度和年耗电量差异由于人员密度、办公性质的不同是相当大的。

2.2 变压器的运行方式

变压器的运行方式分为并列运行和分列运行。一般情况下，为了降低故障状态下的短路电流，且考虑系统运行的经济性和可靠性，民用建筑配电变压器一般采用分列运行方式。根据负荷等级可从1台变压器引出单回路或通过2台变压器引出双回路，或是有较多季节性负荷的用电淡季（变压器故障检修时），可停运相应的变压器，通过低压母联开关由另一台变压器承担两段母线的剩余负荷（重要负荷），可以提高供电系统运行的经济性和可靠性[2]。

《配电变压器能效技术经济评价导则》规定，二次侧有联络线的分列运行的双绕组变压器，在总供电负载不变的情况下应对共用一台或两台分列运行方式进行比选。在采用一台变压器满足总供电负载的情况下，应对两台分列运行变压器的空载损耗和额定负载损耗进行比选，选择总损耗最低的为共用变压器。再对选定共用变压器与两台变压器分列运行方式进行比较，选择出综合功率损耗最小的运行方式。导则中给出了临界综合负载视在功率的计算公式，但是由于临界点划分法并没有完全考虑建筑配电变压器的运行特点与要求，实际应运存在较大的工程误差。

2.3 用户维护管理方案

某些负荷仅根据设备本身的运行特点来进行分析还是比较片面的。通过分析类似建筑的运营或维护经验，详细分析不同模式下的运行特征，一般可按照正常工况模式和最不利事故工况模式两种情况，根据各类动力照明负荷的分级、运行特征及配电变压器的运行方式，来分析确定负荷的需要系数和同时系数。通过正常工况选择变压器后，按照事故工况核定变压器容量，而且通过分析事故工况时长并结合变压器负载曲线来考虑过载系数，充分利用变压器容量。此思路计算方法也可进一步减小理论与实际负荷的差异。

对于干式变压器，有自然空气冷却（AN）和强迫空气冷却（AF），在自然空气冷却时，正常使用条件下变压器可连续输出100%额定容量，在强迫空气冷却时，正常使用条件下变压器容量可提高50%，适用于各种急救过负荷或断续过负荷运行。由于负载损耗和阻抗电压增幅较大，不推荐强迫风冷连续过负荷运行。此外还需注意，对于干式变压器户内运行时，如选用IP23外壳会使变压器冷却能力下降，容量较小的下降约为5%，容量较大的甚至下降约10%，所以要注意在进行设计时要合理选择变压器外壳，避免长期过载运行。

油浸式变压器的过载原则是过负荷倍数越小、允许持续允许的实际时间越长。如105%负载允许连续允许12小时，120%负载允许连续允许2小时，160%负载允许连续允许45分钟等。变压器出厂时各个变压器厂家都会附有说明书，上面都有明确的过负荷规定。或以曲线给出，或以文字形式给出。设计过程中需要充分熟悉这些资料，合理利用。

3 结语

配电变压器作为配电系统的核心设备，其容量的选择具有非常重要的意义，在设计过程中必须严谨核定。但是由于负荷的多样性，主客观因素的不确定性，确定变压器的容量不是一件容易的事情。变压器容量选择的核心在于负荷计算，一般采用需要系数法时，其核心又在于同时系数和需要系数的确定。必须厘清思路，综合考虑各方因素，合理确定同时系数和需要系数，结合变压器的运行方式，按照规范确定的长期工作负载率原则，确定变压器的容量。最后通过计算综合能效费用，对变压器容量进行邻近级的比选。而对于变压器的效率，变压器容量选择过程中可不进行过多考虑。