10KVA變壓器損耗計算分析
簡介：負載曲線的平均負載系數(shù)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系數(shù)越低，為達到損耗電能越小，要選用損耗比越大的變壓器。將負載曲線的平均負載系數(shù)乘以一個大于1的倍數(shù)，通常可取1-1.3，作為獲得最佳效率的負載系數(shù)，然后按βb＝（1/R）1/2計算變壓器應(yīng)具備的損耗比。
1、變壓器損耗計算公式
（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——平均負載系數(shù)
KT——負載波動損耗系數(shù)
QK——額定負載漏磁功率（kvar）
KQ——無功經(jīng)濟當(dāng)量（kW／kvar）
上式計算時各參數(shù)的選擇條件：
（1）取KT＝1.05；
（2）對城市電網(wǎng)和工業(yè)企業(yè)電網(wǎng)的6kV～10kV降壓變壓器取系統(tǒng)最小負荷時，其無功當(dāng)量KQ＝0．1kW／kvar；
（3）變壓器平均負載系數(shù)，對于農(nóng)用變壓器可取β＝20％；對于工業(yè)企業(yè)，實行三班制，可取β＝75％；
（4）變壓器運行小時數(shù)T＝8760h，最大負載損耗小時數(shù)：t＝5500h；
（5）變壓器空載損耗P0、額定負載損耗PK、I0％、UK％，見產(chǎn)品資料所示。
2、變壓器損耗的特征
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系數(shù)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；（并用標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)產(chǎn)生渦流損耗，并在繞組外的金屬部分產(chǎn)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(cè)輸出功率。
3、變壓器節(jié)能技術(shù)推廣
1）推廣使用低損耗變壓器；
（1）鐵芯損耗的控制
變壓器損耗中的空載損耗，即鐵損，主要發(fā)生在變壓器鐵芯疊片內(nèi)，主要是因交變的磁力線通過鐵芯產(chǎn)生磁滯及渦流而帶來的損耗。
最早用于變壓器鐵芯的材料是易于磁化和退磁的軟熟鐵，為了克服磁回路中由周期性磁化所產(chǎn)生的磁阻損失和鐵芯由于受交變磁通切割而產(chǎn)生的渦流，變壓器鐵芯是由鐵線束制成，而不是由整塊鐵構(gòu)成。
1900年左右，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在鐵中加入少量的硅或鋁可大大降低磁路損耗，增大導(dǎo)磁率，且使電阻率增大，渦流損耗降低。經(jīng)多次改進，用0．35mm厚的硅鋼片來代替鐵線制作變壓器鐵芯。
近年來世界各國都在積極研究生產(chǎn)節(jié)能材料，變壓器的鐵芯材料已發(fā)展到現(xiàn)在最新的節(jié)能材料——非晶態(tài)磁性材料如2605S2，非晶合金鐵芯變壓器便應(yīng)運而生。使用2605S2制作的變壓器，其鐵損僅為硅鋼變壓器的1／5，鐵損大幅度降低。
（2）變壓器系列的節(jié)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(guī)產(chǎn)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年后推出的變壓器，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(shè)計生產(chǎn)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％，并且國家已明令在1998年底前淘汰S7、SL7系列，推廣應(yīng)用S9系列。
S11是目前推廣應(yīng)用的低損耗變壓器。S11型變壓器卷鐵心改變了傳統(tǒng)的疊片式鐵心結(jié)構(gòu)。硅鋼片連續(xù)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(shù)，降低了電網(wǎng)線損，改善了電網(wǎng)的供電品質(zhì)。連續(xù)卷繞充分利用了硅鋼片的取向性，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(huán)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。
2）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?お?
A、按變壓器效率最高時的負荷率βM來選擇容量??
當(dāng)建筑物的計算負荷確定后，配電變壓器的總裝機容量為：??
S＝Pjs/βb×cosφ2(KVA)(1)??
式中Pjs??——建筑物的有功計算負荷KW；??
cosφ2——補償后的平均功率因數(shù)，不小于0.9；??
βb——變壓器的負荷率。??
因此，變壓器容量的最終確定就在于選定變壓器的負荷率βb。??
我們知道，當(dāng)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(chǎn)SGL型電力變壓器為例，其最佳負荷率計算如下：??
表國產(chǎn)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?豹豹豹豹?
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
由表可見，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(tǒng)計值，例如民用建筑的用電大部分時間實際負荷均小于計算負荷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(jié)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(jié)能負荷率βj計算容量??
由于實際負荷總在變化，無法精確計算出變壓器的電能損耗。然而對于某類電力用戶，它的最大負荷利用小時數(shù)，最大負荷損耗小時數(shù)可依據(jù)同類用戶統(tǒng)計數(shù)據(jù)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，等于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(shù)Tm查Tm-τ關(guān)系曲線。??
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(jié)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(jié)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(jié)能負荷率與年最大負荷損耗時間有關(guān)，τ越低βj越高。然而由于Tm值及Tm值所對應(yīng)的τ值，對于高層民用建筑還沒有這方面的統(tǒng)計資料，可參考工業(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βj=(1.3-1.8)βM。從表(1)干式變壓器的最佳負荷率βM值，可求出節(jié)能負荷率βj。
對于高層寫字樓，由于五天工作制，且晚上下班后的其余時間均處于輕載，其電力負荷的運行特點，相當(dāng)于工業(yè)企業(yè)的單班制生產(chǎn)，變壓器的節(jié)能負荷率βj=0.85-0.98；
對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)能負荷率βj=0.71-0.85。
由此可見，按節(jié)能負荷率計算變壓器的容量，要小于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(jīng)濟負荷率計算容量??
上節(jié)分析可知按年有功電能損耗率最小時的節(jié)能負荷率βj計算變壓器的容量有利于節(jié)省初投資。然而相當(dāng)于二班制運行特點的高層建筑中的配電變壓器，按β?璲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(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矛盾在變壓器運行在負荷率的某一區(qū)域內(nèi)獲得相對統(tǒng)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(jié)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，并用(6)式代入，整理后得：??
△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于運行在節(jié)能負荷率βj時的年有功電能損耗率隨相對節(jié)能負荷率變化的函數(shù)關(guān)系。??
該式中當(dāng)β＝βj時，△W/△Wj＝1，當(dāng)β＞βj或β＜βj時，△W/△Wj均大于1。?サ寶?/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(dāng)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(qū)，△W/△Wj的增加值相對于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(qū)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(jié)能負荷率β/βj在1-1.3范圍內(nèi)，即經(jīng)濟負荷率為：??
βjj＝(1～1.3)βj(9)??
我們按經(jīng)濟負荷率βjj選出的變壓器容量，要比按節(jié)能負荷率βj選出的變壓器容量降低一級，由此而節(jié)約的初投資遠大于配電變壓器的年有功電能損耗費用，做到了經(jīng)濟性與節(jié)能性這對矛盾的相對統(tǒng)一，顯然這是一種既科學(xué)又經(jīng)濟合理的方法。??
這里討論的配電變壓器容量的計算方法，主要是針對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合。
結(jié)論：
①負載曲線的平均負載系數(shù)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系數(shù)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系數(shù)乘以一個大于1的倍數(shù)，通?？扇?-1.3，作為獲得最佳效率的負載系數(shù)，然后按βb＝（1/R）1/2計算變壓器應(yīng)具備的損耗比。
③對于實際負載，變壓器本身應(yīng)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盡可能地小。
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