民用建筑干式变压器基本知识与设计选型

民用建筑干式变压器基本知识与设计选型

郭立立

深圳市前海冠泽物业管理有限公司 广东深圳 518000

摘要：现阶段民用建筑内大量使用干式变压器，变压器是配电系统中重要的设备，性能及能效直接影响配电质量及系统损耗，变压器的损耗又和制造材料、工艺、负载等息息相关；设备选型时，要了解变压器设备原理、分类、编号意义、损耗产生的主要原因、能效标准，结合项目实际需求及定位，并参照现行节能标准要求，选择适合项目的，即节能环保又具备经济性的变压器型号。

关键词：干式变压器；硅钢片；绕组；能效

引言

干式变压器以其优良的经济性能、安全性大量使用在民用建筑中，那么我们作为建筑电气设计人员究竟对此类变压器有多少了解呢？图纸中的变压器编号又是表示什么意义？是不是有不少设计人员也是仅仅套用模板，知其然，不知其所以然。本文结合变压器的基本知识、产品类型、节能要求、国家相关标准规范等，梳理设计中变压器选型的依据，变压器的容量则以负荷计算为准，本文侧重于能效的选择及定位。

1变压器的发明、原理及分类

变压器的发明，是众多科学家、工程师通过各自努力、继承和发展，逐步技术完善，而形成今天我们使用的变压器。诚然，变压器的工作原理离不开磁效应和电磁感应。电流的磁效应是奥斯特1820年发现的，任何通有电流的导线,都可以在其周围产生磁场的现象,称为电流的磁效应。电磁感应的原理就是用磁通量变化产生感应电动势，通过其他形式能转化为电能。1831年，法拉第发现了电磁感应，并且找到了判断感应电动势方向的楞次定律，这一发现是电磁学领域中最伟大的成就之一。其实在1830年美国著名科学家亨利也用实验证明了电磁感应现象，其使用的实验装置更像是变压器的雏形。然而，真正制造出第一台有使用价值变压器的是德国技师鲁姆科尔夫。我们常见的三相变压器的发明者，是俄国科学家多利沃-多布洛夫斯基，其1889年，申请了第一台三相变压器专利[1]。在其后，变压器技术更新、进步，逐步出现了各式各样、各种功能的变压器。

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的设备，变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成。线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定的线圈，均能在线圈中感应电势，这两种情况磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感原理。变压器就是一种利用电磁互感效应，变换电压、电流和阻抗的器件。

变压器的分类有多种，比如可以按防潮方式、用途、电源相数、铁芯或线圈的结构等等，我们说的干式变压器是按冷却方式划分的，按冷却方式变压器分为：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器；当前干式变压器有两大类,一类为环氧型,另一类为Nomex纸型。

环氧树脂干式变压器有电气性能好、耐雷电冲击能力强、抗短路能力强、体积小重量轻、安装费用低等特点，在我国变压器市场占有较大份额。

2环氧树脂干式变压器结构及损耗

环氧树脂变压器主要由铁芯、绕组等组成，铁芯可以采用优质冷轧晶粒取向硅钢片，铁芯硅钢片采用45度全斜接缝，使磁通沿着硅钢片接缝方向通过。高、低压绕组采用铜带（箔）绕成，在真空中浇注环氧树脂并固化。 

硅钢片性能主要衡量指标有：铁损愈低，变压器牌号愈高；较强磁场下磁感应强度（磁感）高；表面光滑、平整和厚度均匀；冲片性好等等。

变压器内部电路主要由绕组（也称为线圈）构成，它与外界的电网直接相连，是变压器的核心组成部分，变压器的内部电路通常是由导线绕组而成，导线（电磁线）按材质分为铜导线和铝导线，按导线截面形状又分为圆导线、扁导线（又可分为单根线、组合线和换位导线）、箔式导体等，导线与导线之间覆盖不同类型的绝缘层，最终形成整体线圈。

环氧树脂是干式变压器的另一种重要材料，其是一种高分子化合物。主要特点有：

1）分子链很长，每条链包含成百甚至上万个原子，彼此以共价键连接；

2）长分子链由最小重复单元即链节组成，一个分子中的链节数称为聚合度；

3）大分子的分子间作用力往往超过分子内原子间的化学键力，从而使高分子化合物出现一系列特性。

环氧树脂只是低聚物，固化后才能使用。固化剂能与环氧树脂反应，使树脂分子从线型结构交联成网状或体型结构。常用的固化剂有胺类和酸酐两类。

在树脂绝缘干式变压器中，环氧树脂体系通过浇注或浸渍成型，再经过热固化形成线圈绝缘(即纵绝缘)，在干式变压器整个运行期间，环氧树脂绝缘要同时保证线圈的电气绝缘和机械强度，并通过热传导方式散发线圈内部的热量。根据制造工艺的特点不同，环氧树脂变压器可分为三种类型：环氧石英砂混合物真空浇注型、环氧无碱玻璃纤维增强真空压差浇注型和无碱玻璃纤维缠绕浸渍型。

关于变压器的损耗，变压器损耗是现代物理学领域的概念，是指空载损耗Po和短路损耗Pk之和。绕制变压器时需要大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，这种损耗称为负载损耗，也称为“铜损”。

当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁芯流动，因为铁芯本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，在铁芯的断面上形成闭合回路并产生电流，称为“涡流”。“涡流”增加了变压器的损耗，导致变压器的铁芯发热，变压器的温升增加，由“涡流”所产生的损耗我们称为“铁损”，空载损耗近似于“铁损”。

空载损耗是变压器的重要参数，只要投入电网，不论空载还是带多大负荷，空载损耗都是一样的，空载损耗与变压器带负荷多少无关。只要变压器常年接在电源上，空载损耗就存在，它需要长期消耗能量，可见降低空载损耗的必要性。

通过对空载损耗的分析，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗主要是由硅钢片生产企业决定的，附加损耗是由变压器制造企业决定的。铁芯磁通密度是影响变压器铁芯空载损耗的重要参数，因此，要降低空载损耗，在铁芯有效截面不变的前提下，必须使铁芯各个部分的磁通密度分布趋于均匀，降低铁芯拐角处局部磁通密度。

负载损耗即可变损失，它与通过的电流的平方成正比。负载损耗是指额定电流在参考温度下的负载损耗。

当变压器二次绕组短路（稳态），一次绕组流通额定电流时所消耗的有功功率称为负载损耗。算法如下：

负载损耗=最大的一对绕组的电阻损耗+附加损耗

附加损耗=绕组涡流损耗+并绕导线的环流损耗+杂散损耗+引线损耗

3干式变压器的命名及能效

干式变压器主要的技术标准有：国家标准（GB）、电力行业标准（DL）和国际单位制（SI）。

我国变压器命名标准依据是《变压器类产品型号编制方法》JB/T3837-2016，由中华人民共和国工业和信息化部发布。

一般来说，干式变压器型号如下图：
SC（B） □ - □ / □

S---------三相变压器；
C---------树脂绝缘；
（B）-----低压箔式绕组；一般315kVA以下采用线绕，字母为r。
第一个□------损耗水平代号（设计序号）；
第二个□------额定容量（KVA）；
第三个□------电压等级（KV）

干式电力变压器损耗水平代号（JB/T3837-2016）[2]

随着国家对节能要求越来越严格以及技术的发展，变压器节能也一直电气节能主要关注的地方。现行国家关于变压器的节能规范为《电力变压器能效限定值及能效等级》GB 20052-2020，国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布。针对电力变压器，制定了三级能效，其中一级为节能最高等级。适用于三相10kV电压等级、无励磁调压、额定容量30kVA～2500kVA的干式配电变压器。

10kV干式三相双绕组无励磁调压配电变压器能效等级[3]

4干式变压器的应用选型

变压器选型应节能、安全、可靠、经济，根据项目需求综合选择确定。民用户内有特殊防火要求的建筑，所使用的变压器现阶段多采用环氧树脂干式变压器。其次根据节能要求，选用对应的损耗水平。

随着中国“节能降耗”政策的不断深入，国家鼓励发展节能型、低噪音、智能化的配电变压器产品。在网运行的部分高能耗配电变压器已不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，变压器未来发展方向将逐步被节能、节材、环保、低噪音的变压器所取代。

近年来，为了降低输配电变压器损耗，减少二氧化碳排放，世界各主要国家都发布了强制性高能效配电变压器标准，我国在2020年新发布了GB20052- 2020《 电力变压器能效限定值及能效等级》新标准。为加快高效节能变压器推广应用，提升能源资源利用效率，推动绿色低碳和高质量发展。

2020年12月末，工信部、市场监管总局及国家能源局三部门联合印发《变压器能效提升计划(2021-2023年)》，旨在提高变压器能效水平，增强企业核心竞争力，推动产业链优化升级。在发展目标方面，明确提出：到2023年，高效节能变压器[符合新修订《电力变压器能效限定值及能效等级》(GB 20052-2020)中1级、2级能效标准的电力变压器]在网运行比例提高10%，当年新增高效节能变压器占比达到75%以上。因此在各项政策的推进下，新节能配电变压器发展与需求将有更大的发展空间。

结束语：

经分析在各方面条件允许的情况下，优先选用2级及以上节能变压器。同时，通过总结发现，干式电力变压器损耗水平代号（JB/T3837-2016）中，现有编号与GB20052-2020能效要求部分不对应，预计《变压器类产品型号编制方法》的修订也会很快到来。

最后，随着非晶合金科技的发展，制作工艺的更新、原材料的水平的提高；再加上非晶合金变压器更加节能、环保，非晶合金变压器也越来越受市场的欢迎，设计单位、使用单位也需紧密关注市场变化，及时跟进技术更新。

参考文献

[1]互联网.变压器发明简史

[2]中华人民共和国工业和信息化部.《变压器类产品型号编制方法》

JB/T 3837-2016

[3]国家市场监督管理总局 国家标准化管理委员会.《电力变压器能效限定值及能效等级》GB20052-2020