原創 Zzzing Zzzing 2024-02-20 15:52 浙江
1、歷史變化
在變壓器開發的最初幾年，變壓器的功率額定值被指定為輸出，以 kW（有時以 HP）為單位，與電機和交流發電機等其他電機的情況一樣。1893 年的典型變壓器額定值為 1.875、3.75、7.5、11.25、15 kW，一次電壓為 2.4 kV（參考書籍：Alternate current Transformers – R W Weekes）。到 1920 年左右，工程師們意識到變壓器的性能（負載損耗、電壓調節）不取決於kW，而是取決於該功率輸出下提供的 kVA。從那時起，變壓器額定值始終被稱為 kVA 或 MVA。英國標準 BS171:1927 變壓器規格中定義：「變壓器的額定值是製造商指定的以 kVA 為單位的輸出，以及銘牌上標記的相關條件」。建議的三相 kVA 額定值為 5、7.5、10、15、20、25、30、40、50、75、100、150、200、250、300、400 kVA 以及10和100的倍數。
1970年版的英國電力變壓器標準 BS 171 中，額定容量從輸出 kVA 更改為輸入 kVA。IEC 世界繼續遵循這一規範，而 IEEE 標準和美國世界則遵循舊慣例，即變壓器額定值是指設備的輸出 kVA，如電機中的輸出 kVA。
2、額定容量IEC規定
根據 IEC 60076-1 ed3.0-2011 Power Transformers (General)，《GB 1094.1 電力變壓器 第1部分：總則》，「額定容量（Rated Power）是分配給某一繞組的視在功率的指定值，它與繞組的額定電壓一起決定其額定電流。（第 3.4.6 條）雙繞組變壓器的兩個繞組具有相同的額定容量。對於高達 20 MVA 的額定值，額定容量最好取自 ISO 3:1973 首選數字 - 首選數字系列中給出的 R10 系列。這意味著 1-10 之間的額定值分十級，每個增量乘以 1.26（10 的十分之一），即 1、1.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8、10 kVA 或 MVA 及其值10 和 100 的倍數。事實上，這也導致了種類繁多，許多公用事業公司選擇 R5 系列（5 級，10 的五次方根=1.58 的倍數），即 1、1.6、2.5、4、6.3、10 kVA 或 MVA 以及 10 和100 的倍數以獲得更高的額定值。一些公用事業公司通過僅從上述區段中選擇 2-3 個額定值來進一步限制大小。
當變壓器額定值從 10 MVA 提高到 20 MVA 時，變壓器的重量、損耗和成本不會增加一倍，而只會增加 1.7 倍（2 提高到 0.75），因此對於固定負載，總是經濟的選擇儘可能大的變壓器功率額定值，而不是將兩個並聯。當然，從備用備件的考慮，可能需要不同的選擇標準。通常，（N-1）台變壓器應滿足站內預期的峰值負荷（peak load），其中N是站內變壓器的總數，並且平衡變壓器即使在一台變壓器故障下也能滿足負荷。任何站點的最大峰值負荷要求是通過考慮總連接負荷（total connected load）並考慮需要和差異係數（demand and diversity factors）來確定的。當變壓器選擇降壓方式時，變壓器最大單位尺寸受到二次側斷路器的短路電流額定值的限制。這就是為什麼，在早期，在向用戶附近的配電變壓器供電之前，需要多次降壓：220 至 132 kV，然後 132 kV 至 66 kV，最後 66 至 11 kV 給配電變壓器供電。由於中壓斷路器技術的發展，如今可以通過 150-200 MVA 變壓器額定值實現 400/33 kV 直接降壓，以滿足集中重負荷的需求。例如，160 MVA，220/33 kV 單元可滿足煉油廠的集中負荷；或太陽能發電場中的 160 MVA 33/400 kV 或 300 MVA 33-33/400 kV 升壓集電單元) 這樣，可以減少輸電系統中的降壓次數，降低變壓器損耗在總輸電損耗中的份額。
3、額定容量IEEE規定與IEC的區別
額定容量（Rated Power） 根據 IEEE 標準 C57.12.00-2015 第 6.4.1 條 - 「變壓器的額定 kVA 應是在規定的測試條件下和既定標準的限制內，在額定二次電壓和額定頻率下，在規定時間內，且不超過規定的溫升限制，可提供的輸出。」 根據此標準，首選三相額定值為 1、1.5、2、2.5、3.75、5、7.5、10、12、15、20、25、30、37.5、50、60、80、100 MVA。根據IEEE（C57.12.10 -2017 液浸式電力變壓器標準要求，Standard requirements of Liquid Immersed Power Transformers），變壓器的額定kVA應基於其在額定基本kVA冷卻階段（cooling stage）（ONAN）的容量。當變壓器添加風扇和/或泵時（強製冷卻-ONAF/OFAF），其額定值應增加一個定百分比。對於 2.5-10MVA 變壓器，強制風冷 (ONAF) 額定值增加 125%。在強製冷卻條件下額定值的增加，對於更高的額定值，ONAF 冷卻條件是 ONAN 額定值的 133%， OFAF 冷卻是 167%。因此，根據 IEEE，效率、損耗和阻抗也以 ONAN 額定值報告；而在 IEC 世界中，額定容量基於強製冷卻下的最大 MVA。在 IEC 中，ONAN 額定值表示為額定容量的百分比（70 或 80%），即強製冷卻條件下的最大額定值。例如70/100 MVA。（比如：在 IEC 規範中，ONAF 額定為 100%，ONAN 額定為 60%、70% 或 80%。但根據 IEEE 規範，ONAN 將是 100%，ONAF 將是 ONAN 額定的倍數，1.25、1.33 等）
總而言之，如果按照 IEC 有 10/ 12.5 MVA ONAN/ONAF 變壓器，則 12.5 MVA為額定值（輸入功率），所有參數（阻抗百分比、75℃時的損耗、能效）均基於 12.5 MVA。根據 IEEE，對於上述變壓器，10MVA 是變壓器的額定值（輸出功率），所有參數（阻抗百分比、85℃ 時的損耗、能效）均以 10MVA 為基礎。
備註：
（1）在《GB 1094.1-2013 電力變壓器 第1部分：總則》第5.1.1 概述，摘錄：
每個繞組的額定容量應由用戶規定,或在詢價階段由用戶提供充足的信息給製造方,以便確定額定容量。
變壓器每一繞組應規定其額定容量,並標誌在銘牌上。額定容量指的是連續負載下的值。既是負載損耗與溫升保證值和試驗的依據,也是製造方的保證值。
如果對不同的條件(如：對不同的冷卻方式)規定了不同的視在功率，則取其最高值為額定容量。
雙繞組變壓器只有一個額定容量，兩個繞組的額定容量值相同。
對於多繞組變壓器,用戶應規定需要的容量-負載組合,如有必要，應單獨說明有功和無功功率。
將額定電壓施加到變壓器的一次繞組上,且只在一個二次繞組的端子上流過額定電流時,此變壓器承受了與該對繞組相應的額定容量。
變壓器在正常條件(見第4章)下，應能連續地輸送額定容量(對於多繞組變壓器，則是指定繞組額定容量的組合),且其溫升不超過GB 1094.2所規定的液浸式變壓器的溫升限值。
注1：按本條所闡述的額定容量,是指輸入到變壓器的視在功率值(包括變壓器本身所吸取的有功功率和無功功率)。在額定負載下,變壓器輸出給與二次繞組端子相連的電路的視在功率與額定容量不等。因為變壓器內部的電壓降(或升),二次端子之間的電壓與額定電壓不等。電壓降的許可值(與負載功率因數有關)在額定電壓和分接範圍的技術規範中給出（見 GB/T 13499—2002 的第 7 章）。
注2：對於多繞組變壓器，根據所有繞組(獨立繞組，非自耦聯結)額定容量值算術和的一半值，可以估算出多繞組變壓器的物理尺寸(與雙繞組變壓器相比)。
（2）變壓器的溫升請參考如下規範：
IEEE C57.94
IEEE C57.12.00
IEC 60076-2
IEC 60076-11
GB 1094.2-2013 電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升
GB 1094.11-2007電力變壓器 第11部分：乾式變壓器
4、額定容量確定
對於配電變壓器和次輸電變壓器，kVA 額定值按下式確定：
額定值（kVA） = 係數 1.10-1.25（考慮未來需求增長）× 總連接負荷（total connected load） × 需要係數（Demand Factor） / 差異係數（Diversity Factor）
其中需要係數（Demand Factor） = 最大峰值需求（Maximum Peak Demand）/總連接負荷（total connected load） < 1.0
差異係數（Diversity Factor）=饋線個體最大需求之和/整個系統最大需求 > 1.0
當這些變壓器帶有諧波負荷（主要是電力電子）時，應根據負荷中諧波含量的程度降低功率額定值。或者，變壓器製造商可以製造特殊單元來滿足指定諧波量的額外損耗。這些被稱為 K 係數變壓器。K 係數是負荷中諧波含量的權重，根據其對變壓器發熱的影響而定，源自 ANSI/IEEE C57.110。K 係數為 1.0 表示線性負荷（無諧波）。K 係數越高，諧波熱效應越大。例如，K-17 變壓器額定值將比標稱額定值高 28%，因此負載測試為 128% 額定值。
當火力發電站選擇發電機升壓變壓器額定值時，發電機（機組）變壓器的MW和MVAR是發電機出力減去通過廠用供電變壓器（auxiliary supply transformers）滿足的廠用負荷（auxiliary loads）需求後的凈值。因此，200 MW 機組可使用 240 或 250 MVA 單元變壓器（
unit transformer），500 和 800 MW 機組可使用 600 MVA 和 1000 MVA 變壓器組。但水力發電站的發電機變壓器額定值無法標準化，並且會根據每個地點的水量和水頭可用性的發電能力而變化。
連接到太陽能或風電場的變壓器將僅在一天中的部分時間達到完全額定值。因此，標稱額定值可能低於峰值負荷，太陽能發電時大約可達 20%，風能發電時大約可達 10%。
5、溫升的影響
應該記住，變壓器的額定 kVA 取決於油和繞組允許的最大溫升。根據 IEC，對於 20/30/40℃（年平均/月平均/最大值）的環境條件，允許的最大溫升為 60/65/78℃（頂層油/平均繞組/繞組熱點） 如果任何位置的環境條件超過上述三個環境溫度中的任何一個，則所有三個溫升都應以相同的環境溫度上升幅度降低。例如，印度的環境溫度條件為 32/40/50℃，因此根據 IS，溫升降低為 48/53/66℃ 或四捨五入至 50/55/66℃。IEC 變壓器負載指南給出了此類運行情況下允許的額定值的指示。在正常的循環過載下，在最高環境溫度或過載條件下，繞組內部的熱點溫度不應超過120℃。
6、海拔的影響
由於空氣密度較低，對流冷卻效果較差，因此在海拔較高的地方，油溫會上升；即應降低變壓器額定值或應提供更多冷卻，以將溫升限制在標準限值內。根據 IEC 標準，允許溫升適用于海拔 1000 米或以下的現場。當現場海拔超過海平面1000米時，對於自然冷卻變壓器（XXAN），每隔400米溫升應降低1K；強制風冷變壓器（XXAF），每隔250米溫升應降低1K。
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