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。這是一對矛盾的兩個(gè)對立面。www.ef2822.com本文通過對變壓器相對年有功電能損耗率隨相對節(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，表一為國產(chǎn)SGL型電力變壓器最佳負(fù)荷率。
表 國產(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，www.ef2822.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，無法精確計(jì)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(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值所對應(yīng)的τ值，對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。www.ef2822.com對于高層寫字樓，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)獲得相對統(tǒng)一，下面我們對變壓器的年有功電能損耗率公式作進(jìn)一步的分析。
對同一變壓器，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相對年有功電能損耗率隨相對節(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%。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，www.ef2822.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(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)能性這對矛盾的相對統(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，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。由于我國現(xiàn)有資料大多來自國外，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。
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