变压器效率:尽量减少变压器损耗

在2002年,NEMA发布了标准TP-1为了支持美国能源部的指导方针更节能的电气设备。该标准是基于先前美国环境保护署的一项研究，该研究表明，在正常运行条件下，典型的干式变压器的负荷约为其铭牌额定负荷的35%。因此，TP-1建立了一个在运行线性负载时各种尺寸变压器的最低效率表(见表1)。这些效率确实非常令人难以置信，因为它们的范围从97%到98.8%。TP-1没有告诉您的是，您不太可能在实际安装中看到这样的效率。此外，TP-1并没有告诉您，使用这些非常高效的变压器将显著影响您的电气设计。

由于TP-1中所示的效率与实际应用中实际变压器的实际情况存在差异，因此在尝试设计具有最小损耗的电气系统时，您在电气设计中采用的方法可能会有很大不同。本文就如何进行电气设计以保持系统变压器的最小损耗提供了建议(见图1)。无论您选择哪种设计方向，本文还将显示比tp -1所示的损耗更大的区域。

线性

TP-1是使用线性载荷开发的。然而，在当今的商业环境中，大多数负载是非线性的(谐波含量丰富)。计算机、荧光灯装置、打印机、电梯或电机的变频驱动器都会产生谐波。对变压器施加谐波丰富的负载可以使变压器的总损耗增加一倍或三倍。例如，一个75kva的变压器在35%负载下通常有2%的损耗，实际上会有4%到6%的损耗。因此，26 kVA负载(75 kVA的35%)的总损耗将超过1.5 kW。

铁芯和线圈损耗

变压器损耗是铁心损耗和线圈损耗的组合。铁芯损耗包括给层压铁芯通电所产生的损耗。从空载到满载，这些损耗实际上是恒定的，对于典型的150℃上升变压器，损耗约为变压器满载额定功率的0.5%。线圈损耗也称为负载损耗，因为它们与变压器上的负载成正比。这些线圈损耗弥补了磁芯0.5%损耗和总负载1.5%至2%之间的差异。

通常，75kva变压器在35%或1.3%负载下的总损耗约为1000w。变压器满载时的实际损耗对于线性负载可达3000w以上，对于非线性负载可达7000w以上。这分别相当于4%和9.3%，大大高于NEMA TP-1表中75 kVA变压器的最低效率。虽然需要更节能的变压器的总体概念很好，但当预期的运行条件与开发TP-1表时使用的基本标准不匹配时，工程师可能需要非常小心地选择变压器。

通过选择额定温度较低的变压器，即115和80℃的温升而不是标准的150℃温升变压器，铁芯和负载损耗将发生变化。为了降低温升，增加了芯的尺寸。这增加了铁芯损耗，但减少了负载损耗，因此，根据预期的工作点，总损耗可能高于或低于标准变压器。由于铁芯损耗较小，在负载达到60%左右时，150℃变压器的总损耗小于80℃变压器的总损耗。当变压器负载大于60%时，总损耗小于同等尺寸的150℃变压器(见图2)。

在铁芯和负载损耗之间的一个很好的折衷是115℃上升变压器。虽然铁芯损耗略高于150℃变压器，但小于80℃变压器的铁芯损耗。相应的，负载损耗小于150c变压器，使总损耗小于150c变压器在正常运行条件下的总损耗(参见“了解损耗数据，指定变压器时加载”)。

配电变压器和TP-1

初级电压小于或等于34.5 kV，次级电压小于600v的变压器，在35%线性负载下也必须满足TP-1的效率额定值。然而，TP-1仅涵盖15 kVA至1,000 kVA之间的三相配电变压器，因此本标准不涉及较大的变压器。此外，配电变压器通常被设计为负载在50%到75%之间。如前所述，在较小的干式变压器上，负载超过35% TP-1点的损耗将比表化值大得多。因此，虽然TP-1的目标非常高，但它并不适用于实际安装。

从历史上看，配电变压器的额定阻抗为5.75%是很常见的。随着电力公司努力降低运营成本，配电变压器的阻抗已经下降到低至1.5%的阻抗值。由于公用事业公司通常将变压器损耗作为其运营成本的一部分来吸收，因此将阻抗百分比从5.75%降低到1.5%可以节省70%以上的变压器损耗。事实证明这是非常方便的，因为TP-1要求这些变压器具有更高的效率，同时公用事业公司试图降低其运营成本。

这个过程有一个负面的副作用，它不是立即明显的，但对电气工程师的设计有重大影响:变压器二次的可用故障负荷。一个阻抗为5.75%的1,000 kVA变压器在480 V时的可用故障占空为21,000 A，假设主侧有无限母线。给定1.5%阻抗变压器的相同标准，将导致80000 a的可用故障负载。在120/208 V次级电压下运行的同一变压器将分别具有48,000 a和185,000 a的可用故障负载。这种运行效率的提高对电气系统设计有重大影响，特别是在次级电压较低的120/208 V(见“降压变压器的尺寸”)。

虽然TP-1没有解决额定大于1000千伏安的变压器，但它们的阻抗也有类似的降低，以影响这些大型变压器的匹配节省。正如人们所预料的那样，可用故障电流对于一个2500千伏安的变压器来说是非常大的，尽管比例更大。在480 V时，对于1.5%阻抗的变压器，故障负荷将从52,000 A增加到200,000 A以上。谢天谢地，这种尺寸的变压器通常不带208 v的二次电压，因为故障电流将接近500000 a。

应用程序

在工程师寻求降低能耗的过程中，使变压器与其预期负载相匹配是实现这一目标的关键。通过将150℃的升压变压器应用于轻负载线性电路，TP-1中记录的损耗将非常接近实际损耗。然而，较重的变压器负载将建议工程师围绕较低温升的变压器之一进行设计，例如115℃或80℃变压器。当有显著的富谐负载当使用干式变压器供电时，最低的损耗可能是通过使用k级变压器来实现的预期谐波电流。

不明智的变压器选择可能超过TP-1中所示的300%至400%的损失，导致更高效率变压器成本增加的投资回报为负。

了解损耗数据，在指定变压器时加载

在研究这篇文章的过程中，作者发现了一个非常有趣的现象，即所查询的所有主要制造商的公开损失数据几乎不存在。当询问除TP-1的35%负荷以外的工作点损失时，似乎没有任何可用的信息。同时，也没有80℃、115℃和k级变压器的损耗数据。向您当地的变压器销售代表询问您正在设计的运行点的损耗数据以及您正在设计的变压器类型，这可能会为您的客户节省许多美元的能源节省。然而，在您的设计中插入标准的150-C上升变压器，同时计划在35%负载以外的点运行变压器，并且具有很大比例的非线性负载，可能会使您的客户在变压器的使用寿命期间花费大量费用。

调整降压变压器的尺寸

关于降压变压器的一个注意事项:当从480v转换到120v / 208v时，这些低损耗干式变压器可能会潜入您的设计。由于过去阻抗较高，工程师通常不必担心有较高的中断值班支路断路器当它们连接到干式变压器下游时，配电系统的其余部分是一个完全额定的系统。具有较低的阻抗，小至112.5 kVA的变压器可以具有可用的故障负载，这将需要使用中断负载超过10,000 A的断路器。当使用300 kVA, 480/120/208 V等干式变压器时，可用故障负荷可超过40,000 a，要求您的电气设计使用65,000 AIC断路器。最好把120/ 208v的负载拆分成小的部分，这样最大变压器尺寸不超过75kva，阻抗至少为2%，并且可以使用较低的中断断路器(读:较便宜)。

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Lovorn是Lovorn工程协会的主席。他是咨询指定工程师编辑顾问委员会的成员。

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