原创 Zzzing Zzzing 2024-02-20 15:52 浙江
1、历史变化
在变压器开发的最初几年，变压器的功率额定值被指定为输出，以 kW（有时以 HP）为单位，与电机和交流发电机等其他电机的情况一样。1893 年的典型变压器额定值为 1.875、3.75、7.5、11.25、15 kW，一次电压为 2.4 kV（参考书籍：Alternate current Transformers – R W Weekes）。到 1920 年左右，工程师们意识到变压器的性能（负载损耗、电压调节）不取决于kW，而是取决于该功率输出下提供的 kVA。从那时起，变压器额定值始终被称为 kVA 或 MVA。英国标准 BS171:1927 变压器规格中定义：“变压器的额定值是制造商指定的以 kVA 为单位的输出，以及铭牌上标记的相关条件”。建议的三相 kVA 额定值为 5、7.5、10、15、20、25、30、40、50、75、100、150、200、250、300、400 kVA 以及10和100的倍数。
1970年版的英国电力变压器标准 BS 171 中，额定容量从输出 kVA 更改为输入 kVA。IEC 世界继续遵循这一规范，而 IEEE 标准和美国世界则遵循旧惯例，即变压器额定值是指设备的输出 kVA，如电机中的输出 kVA。
2、额定容量IEC规定
根据 IEC 60076-1 ed3.0-2011 Power Transformers (General)，《GB 1094.1 电力变压器 第1部分：总则》，“额定容量（Rated Power）是分配给某一绕组的视在功率的指定值，它与绕组的额定电压一起决定其额定电流。（第 3.4.6 条）双绕组变压器的两个绕组具有相同的额定容量。对于高达 20 MVA 的额定值，额定容量最好取自 ISO 3:1973 首选数字 - 首选数字系列中给出的 R10 系列。这意味着 1-10 之间的额定值分十级，每个增量乘以 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 的倍数。事实上，这也导致了种类繁多，许多公用事业公司选择 R5 系列（5 级，10 的五次方根=1.58 的倍数），即 1、1.6、2.5、4、6.3、10 kVA 或 MVA 以及 10 和100 的倍数以获得更高的额定值。一些公用事业公司通过仅从上述区段中选择 2-3 个额定值来进一步限制大小。
当变压器额定值从 10 MVA 提高到 20 MVA 时，变压器的重量、损耗和成本不会增加一倍，而只会增加 1.7 倍（2 提高到 0.75），因此对于固定负载，总是经济的选择尽可能大的变压器功率额定值，而不是将两个并联。当然，从备用备件的考虑，可能需要不同的选择标准。通常，（N-1）台变压器应满足站内预期的峰值负荷（peak load），其中N是站内变压器的总数，并且平衡变压器即使在一台变压器故障下也能满足负荷。任何站点的最大峰值负荷要求是通过考虑总连接负荷（total connected load）并考虑需要和差异系数（demand and diversity factors）来确定的。当变压器选择降压方式时，变压器最大单位尺寸受到二次侧断路器的短路电流额定值的限制。这就是为什么，在早期，在向用户附近的配电变压器供电之前，需要多次降压：220 至 132 kV，然后 132 kV 至 66 kV，最后 66 至 11 kV 给配电变压器供电。由于中压断路器技术的发展，如今可以通过 150-200 MVA 变压器额定值实现 400/33 kV 直接降压，以满足集中重负荷的需求。例如，160 MVA，220/33 kV 单元可满足炼油厂的集中负荷；或太阳能发电场中的 160 MVA 33/400 kV 或 300 MVA 33-33/400 kV 升压集电单元) 这样，可以减少输电系统中的降压次数，降低变压器损耗在总输电损耗中的份额。
3、额定容量IEEE规定与IEC的区别
额定容量（Rated Power） 根据 IEEE 标准 C57.12.00-2015 第 6.4.1 条 - “变压器的额定 kVA 应是在规定的测试条件下和既定标准的限制内，在额定二次电压和额定频率下，在规定时间内，且不超过规定的温升限制，可提供的输出。” 根据此标准，首选三相额定值为 1、1.5、2、2.5、3.75、5、7.5、10、12、15、20、25、30、37.5、50、60、80、100 MVA。根据IEEE（C57.12.10 -2017 液浸式电力变压器标准要求，Standard requirements of Liquid Immersed Power Transformers），变压器的额定kVA应基于其在额定基本kVA冷却阶段（cooling stage）（ONAN）的容量。当变压器添加风扇和/或泵时（强制冷却-ONAF/OFAF），其额定值应增加一个定百分比。对于 2.5-10MVA 变压器，强制风冷 (ONAF) 额定值增加 125%。在强制冷却条件下额定值的增加，对于更高的额定值，ONAF 冷却条件是 ONAN 额定值的 133%， OFAF 冷却是 167%。因此，根据 IEEE，效率、损耗和阻抗也以 ONAN 额定值报告；而在 IEC 世界中，额定容量基于强制冷却下的最大 MVA。在 IEC 中，ONAN 额定值表示为额定容量的百分比（70 或 80%），即强制冷却条件下的最大额定值。例如70/100 MVA。（比如：在 IEC 规范中，ONAF 额定为 100%，ONAN 额定为 60%、70% 或 80%。但根据 IEEE 规范，ONAN 将是 100%，ONAF 将是 ONAN 额定的倍数，1.25、1.33 等）
总而言之，如果按照 IEC 有 10/ 12.5 MVA ONAN/ONAF 变压器，则 12.5 MVA为额定值（输入功率），所有参数（阻抗百分比、75℃时的损耗、能效）均基于 12.5 MVA。根据 IEEE，对于上述变压器，10MVA 是变压器的额定值（输出功率），所有参数（阻抗百分比、85℃ 时的损耗、能效）均以 10MVA 为基础。
备注：
（1）在《GB 1094.1-2013 电力变压器 第1部分：总则》第5.1.1 概述，摘录：
每个绕组的额定容量应由用户规定,或在询价阶段由用户提供充足的信息给制造方,以便确定额定容量。
变压器每一绕组应规定其额定容量,并标志在铭牌上。额定容量指的是连续负载下的值。既是负载损耗与温升保证值和试验的依据,也是制造方的保证值。
如果对不同的条件(如：对不同的冷却方式)规定了不同的视在功率，则取其最高值为额定容量。
双绕组变压器只有一个额定容量，两个绕组的额定容量值相同。
对于多绕组变压器,用户应规定需要的容量-负载组合,如有必要，应单独说明有功和无功功率。
将额定电压施加到变压器的一次绕组上,且只在一个二次绕组的端子上流过额定电流时,此变压器承受了与该对绕组相应的额定容量。
变压器在正常条件(见第4章)下，应能连续地输送额定容量(对于多绕组变压器，则是指定绕组额定容量的组合),且其温升不超过GB 1094.2所规定的液浸式变压器的温升限值。
注1：按本条所阐述的额定容量,是指输入到变压器的视在功率值(包括变压器本身所吸取的有功功率和无功功率)。在额定负载下,变压器输出给与二次绕组端子相连的电路的视在功率与额定容量不等。因为变压器内部的电压降(或升),二次端子之间的电压与额定电压不等。电压降的许可值(与负载功率因数有关)在额定电压和分接范围的技术规范中给出（见 GB/T 13499—2002 的第 7 章）。
注2：对于多绕组变压器，根据所有绕组(独立绕组，非自耦联结)额定容量值算术和的一半值，可以估算出多绕组变压器的物理尺寸(与双绕组变压器相比)。
（2）变压器的温升请参考如下规范：
IEEE C57.94
IEEE C57.12.00
IEC 60076-2
IEC 60076-11
GB 1094.2-2013 电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升
GB 1094.11-2007电力变压器 第11部分：干式变压器
4、额定容量确定
对于配电变压器和次输电变压器，kVA 额定值按下式确定：
额定值（kVA） = 系数 1.10-1.25（考虑未来需求增长）× 总连接负荷（total connected load） × 需要系数（Demand Factor） / 差异系数（Diversity Factor）
其中需要系数（Demand Factor） = 最大峰值需求（Maximum Peak Demand）/总连接负荷（total connected load） < 1.0
差异系数（Diversity Factor）=馈线个体最大需求之和/整个系统最大需求 > 1.0
当这些变压器带有谐波负荷（主要是电力电子）时，应根据负荷中谐波含量的程度降低功率额定值。或者，变压器制造商可以制造特殊单元来满足指定谐波量的额外损耗。这些被称为 K 系数变压器。K 系数是负荷中谐波含量的权重，根据其对变压器发热的影响而定，源自 ANSI/IEEE C57.110。K 系数为 1.0 表示线性负荷（无谐波）。K 系数越高，谐波热效应越大。例如，K-17 变压器额定值将比标称额定值高 28%，因此负载测试为 128% 额定值。
当火力发电站选择发电机升压变压器额定值时，发电机（机组）变压器的MW和MVAR是发电机出力减去通过厂用供电变压器（auxiliary supply transformers）满足的厂用负荷（auxiliary loads）需求后的净值。因此，200 MW 机组可使用 240 或 250 MVA 单元变压器（
unit transformer），500 和 800 MW 机组可使用 600 MVA 和 1000 MVA 变压器组。但水力发电站的发电机变压器额定值无法标准化，并且会根据每个地点的水量和水头可用性的发电能力而变化。
连接到太阳能或风电场的变压器将仅在一天中的部分时间达到完全额定值。因此，标称额定值可能低于峰值负荷，太阳能发电时大约可达 20%，风能发电时大约可达 10%。
5、温升的影响
应该记住，变压器的额定 kVA 取决于油和绕组允许的最大温升。根据 IEC，对于 20/30/40℃（年平均/月平均/最大值）的环境条件，允许的最大温升为 60/65/78℃（顶层油/平均绕组/绕组热点） 如果任何位置的环境条件超过上述三个环境温度中的任何一个，则所有三个温升都应以相同的环境温度上升幅度降低。例如，印度的环境温度条件为 32/40/50℃，因此根据 IS，温升降低为 48/53/66℃ 或四舍五入至 50/55/66℃。IEC 变压器负载指南给出了此类运行情况下允许的额定值的指示。在正常的循环过载下，在最高环境温度或过载条件下，绕组内部的热点温度不应超过120℃。
6、海拔的影响
由于空气密度较低，对流冷却效果较差，因此在海拔较高的地方，油温会上升；即应降低变压器额定值或应提供更多冷却，以将温升限制在标准限值内。根据 IEC 标准，允许温升适用于海拔 1000 米或以下的现场。当现场海拔超过海平面1000米时，对于自然冷却变压器（XXAN），每隔400米温升应降低1K；强制风冷变压器（XXAF），每隔250米温升应降低1K。
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