基本介紹
- 中文名：變壓器負載率
- 外文名：Transformer load rate
- 領域：物理
- 損耗特徵：空載損耗等
- 套用：變壓器
低損耗變壓器,損耗特徵,損耗計算,數值結論,
低損耗變壓器
鐵芯損耗的控制
變壓器損耗中的空載損耗，即鐵損，主要發生在變壓器鐵芯疊片內，主要是因交變的磁力線通過鐵芯產生磁滯及渦流而帶來的損耗。
最早用於變壓器鐵芯的材料是易於磁化和退磁的軟熟鐵，為了克服磁迴路中由周期性磁化所產生的磁阻損失和鐵芯由於受交變磁通切割而產生的渦流，變壓器鐵芯是由鐵線束製成，而不是由整塊鐵構成。
1900年左右，經研究發現鐵中加入少量的矽或鋁可大大降低磁路損耗，增大導磁率，且使電阻率增大，渦流損耗降低。經多次改進，用0.35mm厚的矽鋼片來代替鐵線製作變壓器鐵芯。
1903來世界各國都在積極研究生產節能材料，變壓器的鐵芯材料已發展到最新的節能材料——非晶態磁性材料如2605S2，非晶合金鐵芯變壓器便應運而生。使用2605S2製作的變壓器，其鐵損僅為矽鋼變壓器的1/5，鐵損大幅度降低。
變壓器系列的節能效果
上述非晶合金鐵芯變壓器，具有低噪音、低損耗等特點，其空載損耗僅為常規產品的1/5，且全密封免維護，運行費用極低。
我國S7系列變壓器是1980年後推出的變壓器，其效率較SJ、SJL、SL、SL1系列的變壓器高，其負載損耗也較高。
80年代中期又設計生產出S9系列變壓器，其價格較S7系列平均高出20%，空載損耗較S7系列平均降低8%，負載損耗平均降低24%，並且國家已明令在1998年底前淘汰S7、SL7系列，推廣套用S9系列。
S11是推廣套用的低損耗變壓器。S11型變壓器卷鐵心改變了傳統的疊片式鐵心結構。矽鋼片連續卷制，鐵心無接縫，大大減少了磁阻，空載電流減少了60～80，提高了功率因數，降低了電網線損，改善了電網的供電品質。連續卷繞充分利用了矽鋼片的取向性，空載損耗降低20～35。運行時的噪音水平降低到30～45dB，保護了環境。
非晶合金鐵心的S11系列配電變壓器系列的空載損耗較S9系列降低75%左右，但其價格僅比S9系列平均高出30%，其負載損耗與S9系列變壓器相等。
選擇與負載曲線相匹配的變壓器
案例分析：配電變壓器的容量選擇
A、按變壓器效率最高時的負荷率βM來選擇容量
當建築物的計算負荷確定後，配電變壓器的總裝機容量為：
S=Pjs/βb×cosφ2(KVA)(1)
式中Pjs ——建築物的有功計算負荷KW；
cosφ2——補償後的平均功率因數，不小於0.9；
βb——變壓器的負荷率。
因此，變壓器容量的最終確定就在於選定變壓器的負荷率βb。
我們知道，當變壓器的負荷率為：
βb=βm=（1/R）1/2時效率最高。(2)
R=PKH/Po（即變壓器損耗比）
式中Po——變壓器的空載損耗；
PKH——變壓器的額定負載損耗，或稱銅損、短路損耗。
以國產SGL型電力變壓器為例，其最佳負荷率計算如下：
國產SGL型電力變壓器最佳負荷率βm 容量(千伏安)：500、630、800、1000、1250、1600
空載損耗(瓦)：1850、2100、2400、2800、3350、3950
負載損耗(瓦)：4850、5650、7500、9200、11000、13300
損耗比R：2.62、2.69、3.13、3.20、3.28、3.37
最佳負荷率βm：61.8、61.0、56.6、55.2、55.2、54.5
如果以βm來計算變壓器容量，必將造成容量過大，使用戶初期投資大量增加。其原因Pjs是30分鐘平均最大負荷P30的統計值，例如民用建築的用電大部分時間實際負荷均小於計算負荷Pjs，如果按βm計算變壓器容量則不可能使變壓器運行在最高效率βm上，這樣不僅不能節約電能且運行在低β值上，則消耗更多的電能，因此按變壓器的最佳負荷率βm來計算變壓器的容量是不合理的。
B、按變壓器的年有功電能損耗率最小時的節能負荷率βj計算容量
由於實際負荷總在變化，無法精確計算出變壓器的電能損耗。然而對於某類電力用戶，它的最大負荷利用小時數，最大負荷損耗小時數可依據同類用戶統計數據來近似計算。
變壓器的年有功電能損耗可按下式估算
△Wb=PoTb PKH(Sjs/S2e)²τ=PoTb PKHβ²τ(3)
式中β——計算負荷率，等於變壓器的計算視在容量Sjs與額定容量Seb之比
Tb——變壓器年投運時間
τ——年最大負荷損耗時間，可由年最大負荷利用時數Tm查Tm-τ關係曲線。
用戶電力負荷消耗的年有功能為：
W=βSebcosφTm(4)
則變壓器的年有功電能消耗率為：
△W=△Wb/W=（PoTb PKHβ²τ）/βSebcosφTm(5)
令d△Wdβ=0
求出變壓器年有功電能損耗率最小時的節能負荷率βj；
βj=（PoTb/PKHτ）1/2=（Tb/τ）1/2*βM(6)
即配電變壓器按照節能負荷率βj計算容量時，其年有功電能損耗率最小。
由式(6)可見，變壓器的節能負荷率與年最大負荷損耗時間有關，τ越低βj越高。然而由於Tm值及Tm值所對應的τ值，對於高層民用建築還沒有這方面的統計資料，可參考工業企業的類似資料。Tb按7500h，而根據高層民用建築的不同功能，τ值在2300-4500範圍內選取，因此βj=(1.3-1.8)βM。從表(1)乾式變壓器的最佳負荷率βM值，可求出節能負荷率βj。
對於高層寫字樓，由於五天工作制，且晚上下班後的其餘時間均處於輕載，其電力負荷的運行特點，相當於工業企業的單班制生產，變壓器的節能負荷率βj=0.85-0.98；
對於高層賓館及高層建築中以商業為主的大廈，其相當於工業企業的兩班制生產，變壓器的節能負荷率βj=0.71-0.85。
由此可見，按節能負荷率計算變壓器的容量，要小於按最佳負荷率所計算的變壓器的容量，這樣不但年電能損耗小且一次性投資省。
C、按變壓器的經濟負荷率計算容量
上節分析可知按年有功電能損耗率最小時的節能負荷率βj計算變壓器的容量有利於節省初投資。然而相當於二班制運行特點的高層建築中的配電變壓器，按β j計算出的容量還是偏大，必將增加用戶的一次性投資。如何能做到既能節省一次性投資，又能使電能損耗小，或者說能否做到初投資省和電耗小這對矛盾在變壓器運行在負荷率的某一區域內獲得相對統一，下面我們對變壓器的年有功電能損耗率公式作進一步的分析。
對同一變壓器，在某一負荷率β運行情況下的年有功電能損耗率如式(5)，而在節能負荷率下的年有功電能損耗率為：
△Wj=（PoTb PKHβ2jτ）/βjSebcosφTm(7)
用(5)式的兩邊除以(7)式的兩邊，並用(6)式代入，整理後得：
△W/△Wj=1/2（β/βj βj/β）(8)
上式為變壓器運行在某一負荷率β時的年有功電能損耗率相對於運行在節能負荷率βj時的年有功電能損耗率隨相對節能負荷率變化的函式關係。
該式中當β=βj時，△W/△Wj=1，當β>βj或β<βj時，△W/△Wj均大於1。 當β/βj從1.0增加到1.3，增加30時，△W/△Wj從1.0增加到1.035，只增加了3.5；當β/βj從2.0增加到2.3，增加15時，△W/△Wj從1.25增加到1.37，增加了9.6。
可見在β/βj的低值區，△W/△Wj的增加值相對於β/βj的增加值是非常微小的，且增加的速率也是很小的，也就是說，在該區域中，我們用微小的年電能損耗率增加值來換取變壓器的容量的較大減小使得一次性投資的明顯降低，因此，我們選擇相對節能負荷率β/βj在1-1.3範圍內，即經濟負荷率為：
βjj=(1～1.3)βj(9)
我們按經濟負荷率βjj選出的變壓器容量，要比按節能負荷率βj選出的變壓器容量降低一級，由此而節約的初投資遠大於配電變壓器的年有功電能損耗費用，做到了經濟性與節能性這對矛盾的相對統一，顯然這是一種既科學又經濟合理的方法。
這裡討論的配電變壓器容量的計算方法，主要是針對高層建築中所使用的變壓器，即使用乾式或環氧樹脂澆注變壓器，然而該方法也適用於使用其他配電變壓器的場合。
損耗特徵
P0——空載損耗，主要是鐵損，包括磁滯損耗和渦流損耗；
磁滯損耗與頻率成正比；與最大磁通密度的磁滯係數的次方成正比。
渦流損耗與頻率、最大磁通密度、矽鋼片的厚度三者的積成正比。
PC——負載損耗，主要是負載電流通過繞組時在電阻上的損耗，一般稱銅損。其大小隨負載電流而變化，與負載電流的平方成正比；（並用標準線圈溫度換算值來表示）。
負載損耗還受變壓器溫度的影響，同時負載電流引起的漏磁通會在繞組內產生渦流損耗，並在繞組外的金屬部分產生雜散損耗。
變壓器的全損耗ΔP=P0 PC
變壓器的損耗比=PC/P0
變壓器的效率=PZ/（PZ ΔP），以百分比表示；其中PZ為變壓器二次側輸出功率。
損耗計算
（1）有功損耗：ΔP=P0+KTβ2PK-------（1）
（2）無功損耗：ΔQ=Q0+KTβ2QK-------（2）
（3）綜合功率損耗：ΔPZ=ΔP+KQΔQ----（3）
Q0≈I0%SN，QK≈UK%SN
式中：Q0——空載無功損耗（kvar）
P0——空載損耗（kW）
PK——額定負載損耗（kW）
SN——變壓器額定容量（kVA）
I0%——變壓器空載電流百分比。
UK%——短路電壓百分比
β——平均負載係數
KT——負載波動損耗係數
QK——額定負載漏磁功率（kvar）
KQ——無功經濟當量（kW/kvar）
上式計算時各參數的選擇條件：
（1）取KT=1.05
（2）對城市電網和工業企業電網的6kV～10kV降壓變壓器取系統最小負荷時，其無功當量KQ=0.1kW/kvar
（3）變壓器平均負載係數，對於農用變壓器可取β=20%；對於工業企業，實行三班制，可取β=75%
（4）變壓器運行小時數T=8760h，最大負載損耗小時數：t=5500h
（5）變壓器空載損耗P0、額定負載損耗PK、I0%、UK%，見產品資料所示。
數值結論
①負載曲線的平均負載係數越高，為達到損耗電能越小，要選用損耗比越小的變壓器；負載曲線的平均負載係數越低，為達到損耗電能越小，要選用損耗比越大的變壓器。
②將負載曲線的平均負載係數乘以一個大於1的倍數，通常可取1-1.3，作為獲得最佳效率的負載係數，然後按βb=（1/R）1/2計算變壓器應具備的損耗比。
③對於實際負載，變壓器本身應具有較佳的損耗比，而且總損耗最小，即空載損耗與負載損耗之和要儘可能地小。
