干式變壓器帶給用戶的優點

干式變壓器帶給用戶的優點

　　F級，H級（180℃）直至R級（220℃）變壓器中的耐高溫絕緣材料具有相當多的優點。這些優點將與許多應用一道予以討論。

　　當用戶計劃購買變壓器時，將選擇能提供他們需要的最佳方案的供應商。這通常包括一個以最優價格提供的具有所要求的電性能規格，環境和防火等級的可靠變壓器。用戶通常不規定絕緣系統，因為絕緣系統被視為設備的一個完整部分，制造商將用它來生產用戶所需要的最佳產品。然而，今天的用戶要獲得自己所需要的最適當的變壓器，就應了解所有可供選擇的方案，它們的技術優點，以及這些方案在工作時的優點和缺點。一個越來越重要的要求是，設備在各種不同的環境條件下和在常常超過指定的正常設計條件的溫度下工作的能力。最常見的問題是（有時預計不到的）過負荷和較高的環境溫度條件，例如包括印度在內的許多亞洲國家中所出現的情況。制造商現在已獲得耐高溫的材料，例如芳族聚酰胺，磁漆，樹脂和清漆，可以生產在工作溫度下具有高可靠性的絕緣系統。如果我們假定變壓器具有一個基于如芳族聚酰胺紙（它具有220℃的熱指數）之級的材料的絕緣系統，這樣就允許系統在高達220℃的熱點溫度下運行。這種變壓器能夠在40℃的環境溫度和30℃的熱點之差以150 K的平均溫升連續運行。在較高的環境條件下，許多本地標準需要使用50℃作為環境溫度。因此，140℃的溫升以及30℃的熱點之差可用于這些系統。由于絕緣系統的耐高溫能力和與相同容量的低溫額定變壓器相比在冷卻空間上的減少，它的重量更小，且更為緊湊。事實上，每提高一個耐熱等級這種變壓器的尺寸就可以減少約10%至15%。例如，R級（220℃）等級的500 kVA變壓器可比H級（180℃）變壓器小15%，可比F級（155℃）變壓器小30%。

　　然而，即使在許多情況下能獲得最大尺寸并減少重量可獲得一定的好處，常用的解決方案也是在F級或H級下運行的變壓器采用R 220 C級絕緣系統。這種選擇可以使用戶具有非常緊湊的設備，這種設備可提供極大的使用靈活性，包括較高的超負荷能力，較低的能量損耗，以及在世界各地所帶來的許多實際利益。這種變壓器在高負荷增長和極端環境氣候條件地區尤為有益。

經濟考慮

　　對于購買常規油浸式變壓器或熱容量較低的變壓器例如B級或F級澆注樹脂變壓器而言，變壓器的尺寸一般基于用戶為確保絕緣系統的可靠性和適當壽命而預測的最大負荷。這是因為這些變壓器是用不能承受設計溫度熱點以上的溫度的材料加以絕緣的。由于平均負荷往往比最大負荷低得多，所以這種變壓器超過了設計標準并且比所需要的要大得多。利用R級絕緣系統的概念用戶現在可以購買基于平均預測負荷的小型變壓器，因此成本比基于最大預測負荷的大型變壓器更低廉。通過使用芳族聚酰胺絕緣系統，這種變壓器能夠耐受相當大的超負荷或溫度峰值，而不會顯著降低使用壽命。用戶在安裝后預測5年或10年內所需容量的大幅增加時，如工廠擴建，或大型購物中心等，也可以采用這種相同的方法。購買滿足初始容量要求且能在此后超負荷的變壓器，可以顯著地節省費用并可以妥當地使附加投資推遲到將來使用。讓我們來分析一下表1中所示出的數據。

表1：不同負荷的變壓器的經濟評價

方案號　　　　　　　1 　　　2 　　　3　　　 4

絕緣材料的耐熱等級　　F　　 　C　　　　F　　　　C

第一個10年期
負荷(kVA)　　　　　　350 　　350　　 350　 　350

第二個10年期
負荷 (kVA) 　　　　　350 　　350　　 650 　　650

變壓器容量
容量 (kVA) 　　　　　500 　　500 　　500　　 500
溫升 (K)　　　　　　 100 　　100　　 100　　 100

第一期成本（綜合）
初始成本 　　　　　　100 　　104 　　100 　　104
鐵芯損耗 　　　　　　100　　 100 　　100　　 100
繞組損耗 　　　　　　40　　　40　　　40　　　40

本期合計 　　　　　　240 　　44　　　240 　　244

第二期成本（綜合）

初始成本 　　　　　　--- 　　--- 　　100 　　---
鐵芯損耗 　　　　　　100　　 100 　　200 　　100
繞組損耗 　　　　　　40 　　　40 　　74　　　134

本期合計　　　　　　 140　　 140　　 374 　　234

20年的總成本　　　　 380 　　384　　 614 　　458
　　
　　 該例假定兩臺變壓器的溫升為100 K，一臺采用F級絕緣系統（方案1），而另一臺采用220 C絕緣系統（方案2）。它們在二十年期間均以相同的負荷運行。以相對單位表示的最終成本大致相同。初始成本僅略高了一些（4%）。但是，如果我們現在假定十年后負荷已增加到需要更大功率的程度，則分析結果將會大為改觀。

　 　在第一種方案中，將需要另一臺F級變壓器（方案3），而在第二種方案中，原來的H級變壓器可以耐受超負荷而不會引起問題（方案4），這樣便可在20年的使用期內顯著地節省費用。這種方案對能耗成本可能是主要考慮因素的場合尤為有益，因為在需要購買第二臺變壓器的方案中（方案3）鐵芯損耗將會增加一倍。與此相反，盡管方案4的繞組損耗有所增加，但這些損耗是相對總負荷而言的，并可以通過在平均峰荷期間和非峰荷時間內的電流平方予以降低。

　　 除了這些優點外，還應當記住，在其熱指數以下的溫度上工作的變壓器中采用耐高溫芳族聚酰胺絕緣材料將會顯著增加設備的使用壽命。作為一個經驗法則，在熱指數下每降低10℃溫度就會使材料的壽命增加一倍。因此，具有220 C級材料的F級變壓器的預期壽命將比采用155 C熱指數工作在180℃下的材料的等效變壓器增加15倍。

　　 第五種方案可以描述為采用平均繞組溫度為125℃的變壓器。這種變壓器可以較低的初始成本（方案1的83%）生產出來，并且仍具有較方案1為357和較方案2為483的非常經濟的總成本。這種變壓器也更緊湊，尺寸和重量減少約15%。

能量損耗

　　當用戶考慮變壓器中的能量損耗時，他們會以電流的平方和總電阻的比（因此稱為I2R損耗）來計算激勵時磁芯的總損耗（空載損耗）和導體中的電流引起的那些損耗。通常，在額定負荷下比較這些負荷是為了在最差方案中提供變壓器的相對比較基準。但是，這樣可能提供一種不夠合理的觀點，因為它可能以更緊湊的尺寸和更高的耐高溫能力使設計變得比較困難。當人們比較兩個不同耐熱等級的單位時，他們應當確定在什么負荷下兩種比較才會相同。如果這一負荷在變壓器的平均預測負荷之上，則購買小型變壓器可能更經濟，因為磁芯損耗是恒定的，并且每天24小時始終都存在著。磁芯損耗的估計成本一般比銅損耗高3至5倍。因此，在小型變壓器中，磁芯損耗僅占總損耗的很小一部分。
　　表2示出了B級和H級變壓器的比較結果，并采用了每瓦特空載損耗4.00美元和每瓦特負載損耗1.00美元的典型損耗估算比。表中數據基于1000 KvA/10 kV的單位額定初級電壓。我們可以看出，交叉點是在負載系數約為82%時。因此，當負載低于額定負載的82%時，H級變壓器的損耗成本就會顯著降低，這主要是因為磁芯及有關的損耗較少的緣故。負載系數可定義為實際平均負載與額定負載的百分比。

表2. 總損耗成本的比較（基準：1000 kVA）


負載 　　　　損耗成本 (US $)　　　　　 損耗比
系數 　　 B級 　　F級 　　H級　　　H::F 　　H::B

0.2　　　 12056 　10626 　　8970　　　0.84　　　0.74

0.4 　　　12826 　11664 　　10320 　　0.88 　　 0.80

0.6 　　　14108　 13394 　　12570 　　0.94 　　 0.89

0.8 　　　15902 　15816 　　15720 　　0.99　　　0.99

1.0 　　　18210 　18930　　 19770 　　1.04　　　1.09

　　在F級和H級變壓器之間也進行了相似的比較。在這種方案中，節省82%以下的負荷雖略低了一些，但H級較F級變壓器在總負荷上的增加量要稍低于B級變壓器。