在高層建筑電氣設(shè)計(jì)中，如何合理確定配電變壓器的容量，是十分重要的。對(duì)于用戶來說，既希望變壓器的容量不要選得過大，以免增加初投資；又希望變壓器的運(yùn)行效率高，電能損耗小，以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。這是一對(duì)矛盾的兩個(gè)對(duì)立面。m.lyansai.com本文通過對(duì)變壓器相對(duì)年有功電能損耗率隨相對(duì)節(jié)能負(fù)荷率變化的函數(shù)關(guān)系從中找出主要矛盾及矛盾的主要方面，從而得出一種電能損耗既不高且又節(jié)省初投資的配電變壓器容量的計(jì)算方法。
一、按變壓器的效率最高時(shí)的負(fù)荷率βM來計(jì)算容量
當(dāng)建筑物的計(jì)算負(fù)荷確定后，配電變壓器的總裝機(jī)容量為：
S＝Pjs/βb×cosφ2(KVA) (1)
式中Pjs——建筑物的有功計(jì)算負(fù)荷KW；
cosφ2——補(bǔ)償后的平均功率因數(shù)，不小于0.9；
βb——變壓器的負(fù)荷率。
因此，變壓器容量的最終確定就在于選定變壓器的負(fù)荷率βb。我們知道，當(dāng)變壓器的負(fù)荷率為：
βb＝βM＝Po/PKH (2) 時(shí)效率最高
式中Po——變壓器的空載損耗；
PKH——變壓器的短路損耗。
然而高層建筑中設(shè)備用房多設(shè)于地下層，為滿足消防的要求，配電變壓器一般選用干式或環(huán)氧樹脂澆注變壓器，表一為國(guó)產(chǎn)SGL型電力變壓器最佳負(fù)荷率。
表 國(guó)產(chǎn)SGL型電力變壓器最佳負(fù)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(fù)載損耗(瓦) 4850 5650 7500 9200 11000 13300
損失比α22.62 2.69 3.13 3.20 3.28 3.37
最佳負(fù)荷率βm% 61.8 61.0 56.6 55.2 55.2 54.5
由表可見，如果以βm來計(jì)算變壓器容量，必將造成容量過大，使用戶初投資大量增加，另外Pjs是30分鐘平均最大負(fù)荷P30的統(tǒng)計(jì)值，而民用建筑的用電一般在深夜至次日清晨是處于輕載的，且一天運(yùn)行過程中負(fù)荷也時(shí)有變化，m.lyansai.com大部分時(shí)間實(shí)際負(fù)荷均小于計(jì)算負(fù)荷Pjs，如果按βm計(jì)算變壓器容量則不可能使變壓器運(yùn)行在最高效率βm上，這樣不僅不能節(jié)約電能且運(yùn)行在低β值上，則消耗更多的電能，因此按變壓器的最佳負(fù)荷率βm來計(jì)算變壓器的容量是不合理的。
二、按變壓器的年有功電能損耗率最小時(shí)的節(jié)能負(fù)荷率βj計(jì)算容量
由于實(shí)際負(fù)荷總在變化，無(wú)法精確計(jì)算出變壓器的電能損耗。然而對(duì)于某類電力用戶，它的最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)可依據(jù)同類用戶統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來近似計(jì)算。
變壓器的年有功電能損耗可按下式估算
△Wb＝PoTb+PKH(Sjs/S2e)² τ＝PoTb+PKHβ² τ (3)
式中 β——計(jì)算負(fù)荷率，等于變壓器的計(jì)算視在容量Sjs與額定容量Seb之比
Tb——變壓器年投運(yùn)時(shí)間
τ——年最大負(fù)荷損耗時(shí)間，可由年最大負(fù)荷利用時(shí)數(shù)T m查出如圖一。
圖一 Tm-τ關(guān)系曲線
用戶電力負(fù)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+PKHβ² τ）/βS2ecosφTＭ (5)
令 d△W%dβ ＝0
求出變壓器年有功電能損耗率最小時(shí)的節(jié)能負(fù)荷率βj；
βj＝PoTo/PKHτ＝βMToτ (6)
即配電變壓器按照節(jié)能負(fù)荷率βj計(jì)算容量時(shí)，其年有功電能損耗率最小。
由式(6)可見，變壓器的節(jié)能負(fù)荷率與年最大負(fù)荷損耗時(shí)間有關(guān)，τ越低βj越高。然而由于Tm值及Tm值所對(duì)應(yīng)的τ值，對(duì)于高層民用建筑還沒有這方面的統(tǒng)計(jì)資料，只能參考工業(yè)企業(yè)的類似資料。Tb按7500h，而根據(jù)高層民用建筑的不同功能，τ值在2300-4500范圍內(nèi)選取，因此T0/τ大于1，則βj必大于βM，且βj=(1.3-1.8)βM。從表(1)
干式變壓器的最佳負(fù)荷率βM值，可求出節(jié)能負(fù)荷率βj。m.lyansai.com對(duì)于高層寫字樓，由于五天工作制，且晚上下班后的其余時(shí)間均處于輕載，其電力負(fù)荷的運(yùn)行特點(diǎn)，相當(dāng)于工業(yè)企業(yè)的單班制生產(chǎn)，變壓器的節(jié)能負(fù)荷率βj=0.85-0.98；對(duì)于高層賓館及高層建筑中以商業(yè)為主的大廈，其相當(dāng)于工業(yè)企業(yè)的兩班制生產(chǎn)，變壓器的節(jié)能負(fù)荷率βj=0.71-0.85。由此可見，按節(jié)能負(fù)荷率計(jì)算變壓器的容量，要小于按最佳負(fù)荷率所計(jì)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，是一種可行的方法，然而對(duì)相當(dāng)于兩班制生產(chǎn)的電力負(fù)荷運(yùn)行特點(diǎn)的高層建筑，其節(jié)能負(fù)荷率還不算太高，另本文均針對(duì)使用干式變壓器而討論，如果使用S7型節(jié)能變壓器(某些變電所設(shè)于首層或附屬樓)，其損失比PKH/P0約為6.25，βM約為0.4左右，則節(jié)能負(fù)荷率在0.52-0.63之間，從這些可以看出還是有潛力的。
三、按變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率計(jì)算容量
上節(jié)分析可知按年有功電能損耗率最小時(shí)的節(jié)能負(fù)荷率βj計(jì)算變壓器的容量有利于節(jié)省初投資。然而相當(dāng)于二班制運(yùn)行特點(diǎn)的高層建筑中的配電變壓器，按βj計(jì)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(jié)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(duì)矛盾在變壓器運(yùn)行在負(fù)荷率的某一區(qū)域內(nèi)獲得相對(duì)統(tǒng)一，下面我們對(duì)變壓器的年有功電能損耗率公式作進(jìn)一步的分析。
對(duì)同一變壓器，在某一負(fù)荷率β運(yùn)行情況下的年有功電能損耗率如式(5)，而在節(jié)能負(fù)荷率下的年有功電能損耗率為：
△Wj%＝PoTb+PKHβ2jτβjS2ecosφTm (7)
用(5)式的兩邊除以(7)式的兩邊，并用(6)式代入，整理后得：
△W%△Wj%＝12βj+βjβ (8)
上式為變壓器運(yùn)行在某一負(fù)荷率β時(shí)的年有功電能損耗率相對(duì)于運(yùn)行在節(jié)能負(fù)荷率βj時(shí)的年有功電能損耗率隨相對(duì)節(jié)能負(fù)荷率變化的函數(shù)關(guān)系。該式中當(dāng)β＝βj時(shí)，△W%/△Wj%＝1，當(dāng)β＞βj或β＜βj時(shí)，△W%/△Wj%均大于1。我們用表格法列出相對(duì)節(jié)能負(fù)荷率為1.0—2.3時(shí)(我們只關(guān)心1.0以上部分)的相年有功電能損耗率的變化情況，表2相對(duì)年有功電能損耗率隨相對(duì)節(jié)能負(fù)荷率變化表。由表可見，隨著β/βj等額增加，△W%/△Wj%的增加值及其增加的速率在不同的區(qū)域也差異甚大。
下面我們分析兩個(gè)區(qū)間：當(dāng)β/βj從1.0增加到1.3，增加30%時(shí)，△W%/△Wj%從1.0增加到1.035，只增加了3.5%；當(dāng)β/βj從2.0增加到2.3，增加15%時(shí)，△W%/△Wj%從1.25增加到1.37，增加了9.6%?？梢娫?beta;/βj的低值區(qū)，△W%/△Wj%的增加值相對(duì)于β/βj的增加值是非常微小的，m.lyansai.com且增加的速率也是很小的，也就是說，在該區(qū)域中，我們用微小的年電能損耗率增加值來?yè)Q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(duì)節(jié)能負(fù)荷率β/βj在1-1.3范圍內(nèi)，即經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率為：
βjj＝(1～1.3)βj (9)
我們按經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率βjj選出的變壓器容量，要比按節(jié)能負(fù)荷率βj選出的變壓器容量降低一級(jí)，由此而節(jié)約的初投資遠(yuǎn)大于配電變壓器的年有功電能損耗費(fèi)用，做到了經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性這對(duì)矛盾的相對(duì)統(tǒng)一，顯然這是一種既科學(xué)又經(jīng)濟(jì)合理的方法。
結(jié)合變壓器運(yùn)行年限所限定的溫度條件，變壓器的負(fù)荷率為：
βb＝βjj＝(1～1.3)βjβb≤1 (10)
四、高層建筑配電變壓器的容量計(jì)算
綜上分析，計(jì)算變壓器容量的步驟為：
(1)計(jì)算出整座大樓的計(jì)算負(fù)荷Pjs
(2)用(2)式計(jì)算出βM
(3)用(6)式計(jì)算出βj
(4)用(10)式選出βb
(5)用(1)式計(jì)算出變壓器的容量
步驟(2)中先按βjs初估變壓器容量然后查變壓器手冊(cè)中的Po與PKH，得出βm，當(dāng)步驟(5)得出變壓器容量后將其與初估容量比較，如不一致，則將計(jì)算出的容量返回步驟(2)繼續(xù)進(jìn)行，直至一致。當(dāng)選用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上變壓器時(shí)，變壓器的總裝機(jī)容量選擇不但與考慮經(jīng)濟(jì)、節(jié)能時(shí)的負(fù)荷率有關(guān)，還與考慮供電負(fù)荷級(jí)別所需的變壓器的備用量有關(guān)，這兩方面的考慮雖然出于兩種不同的目的和概念，但都是密切相關(guān)的。
另外本文所討論的配電變壓器容量的計(jì)算方法，主要是針對(duì)高層建筑中所使用的變壓器，即使用干式或環(huán)氧樹脂澆注變壓器，然而該方法也適用于使用其他配電變壓器的場(chǎng)合，如使用油浸式節(jié)能變壓器時(shí)，它的損失比較干式變壓器更高，節(jié)能負(fù)荷率βj更低，這樣用本方法計(jì)算出的變壓器容量可能會(huì)降低兩級(jí)，效果更好。
在變壓器的年有功電能損耗率最小時(shí)的節(jié)能負(fù)荷率作為計(jì)算變壓器容量的基礎(chǔ)上，以1.035倍的年有功電能損耗率為約束條件得出的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率的上限值可為節(jié)能負(fù)荷率的1.3倍，以此來計(jì)算變壓器的容量，做到了節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性的相對(duì)統(tǒng)一。
另外，以30分鐘最大負(fù)荷P30作為計(jì)算負(fù)荷Pjs也是造成變壓器容量得不到充分利用的一個(gè)重要原因，因?yàn)?0分鐘是從較小截面的導(dǎo)線的允許發(fā)熱為前提規(guī)定的。由于我國(guó)現(xiàn)有資料大多來自國(guó)外，一時(shí)尚沒有足夠的理論根據(jù)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來加以改變，因此，還必須開展負(fù)荷計(jì)算的研究工作來解決這個(gè)問題。
信息來源：m.lyansai.com 信息整理：揚(yáng)州拓普電氣科技有限公司生技部
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