程宗慶

(重慶市城市照明管理局，重慶 404100）

1 變壓器容量的選擇

隨著我國(guó)改革開放和經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度的不斷深入、城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，城市照明越來越受到各方的關(guān)注和重視。為有效減少對(duì)電網(wǎng)的影響，改善城市照明系統(tǒng)供電質(zhì)量，提高路燈的亮燈率，提升綠色照明水平，提高城市道路照明的供電安全水平和節(jié)能降耗效果，在我國(guó)已經(jīng)有越來越多的城市照明工程開始大量采用道路照明專用變壓器。那么，作為道路照明行業(yè)的電氣技術(shù)人員應(yīng)該如何合理地設(shè)計(jì)選擇此類電力變壓器的容量呢?

通常情況下，我們一般會(huì)按常規(guī)的電力變壓器設(shè)計(jì)選擇原則，習(xí)慣于以道路照明專用變壓器的負(fù)荷率不宜大于70%來選定變壓器容量。因?yàn)橐话闩潆娮儔浩鞯呢?fù)載率在0.5～0.6之間效率相對(duì)最高，此時(shí)變壓器的容量稱為經(jīng)濟(jì)容量，但是，這有一個(gè)前提，就是負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，而且是在連續(xù)生產(chǎn)的情況下才可按經(jīng)濟(jì)容量選擇變壓器容量。此外，隨著新型鐵芯材料、新型絕緣材料、新型通風(fēng)降溫技術(shù)以及新型電力變壓器保護(hù)技術(shù)陸續(xù)在電力變壓器上的運(yùn)用，變壓器的理論最佳負(fù)荷率已經(jīng)明顯下降(表1）。

道路照明專用變壓器負(fù)荷的特殊性有以下3點(diǎn)。

(1）白天照明設(shè)施關(guān)閉，變壓器處于空載運(yùn)行狀態(tài);

(2）前半夜照明設(shè)施全開，變壓器處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài);

(3）后半夜景觀燈關(guān)閉，功能照明節(jié)電措施投運(yùn)，此時(shí)變壓器減負(fù)荷運(yùn)行。

且變壓器在夏季高溫時(shí)段運(yùn)行時(shí)間明顯短于冬季低溫時(shí)段(見表2）。再結(jié)合變壓器本身負(fù)載能力的特性，我們可以嘗試重新審視和考慮路燈專用變壓器容量的選擇問題。

表1 S11—M50～1000/10系列三相油浸無(wú)載調(diào)壓配電變壓器理論最佳負(fù)荷率

表2 常州地區(qū)各月份日平均開燈時(shí)長(zhǎng) 單位:小時(shí)

2 壽命的影響因素

變壓器所能帶負(fù)荷大小是以不犧牲變壓器正常使用壽命為前提，變壓器的正常使用壽命取決于絕緣的老化速度，而絕緣的老化速度又主要取決于變壓器運(yùn)行的溫度，絕緣材料的耐熱分級(jí)和長(zhǎng)期使用的極限溫度見表3。極限溫度是指最熱點(diǎn)溫度。根據(jù)長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，要保證變壓器的使用壽命不低于20年(經(jīng)濟(jì)使用壽命），其所用絕緣材料長(zhǎng)期使用的極限溫度要比表3的數(shù)值略低，如油浸式變壓器絕緣(A級(jí)）長(zhǎng)期使用的極限溫度應(yīng)為98℃。

表3 絕緣材料的耐熱分級(jí)

顯然，絕緣材料長(zhǎng)期運(yùn)行的溫度越低，絕緣老化越慢，使用壽命也越長(zhǎng)，反之，長(zhǎng)期運(yùn)行的溫度越高，絕緣老化越快，使用壽命也越短。變壓器絕緣的使用壽命和長(zhǎng)期運(yùn)行溫度的關(guān)系，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可用下式表示

式中，t是絕緣運(yùn)行溫度(℃），不超過140℃。

由上式可看出:

(1）當(dāng)t=98℃時(shí)，使用壽命A=20年(正好是經(jīng)濟(jì)使用壽命）;

(2）當(dāng)t=104℃時(shí)，使用壽命A=10年;

(3）當(dāng)t=92℃時(shí)，使用壽命A=40年。

即溫度每升高(或降低）6℃，絕緣老化壽命降低一半(或提高一倍），這被稱為“6度定則”。

顯然，為保證變壓器的使用壽命，必須對(duì)線圈的工作溫度加以限制。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器》中規(guī)定:變壓器在額定容量和額定使用條件下長(zhǎng)期工作時(shí)，線圈的溫升(對(duì)環(huán)境溫度）應(yīng)不超過表4的規(guī)定。

表4 線圈的溫升限值(平均溫升，電阻法）

額定使用條件中環(huán)境溫度的規(guī)定為以下2方面。

(1）空氣或吹風(fēng)冷卻的氣溫自然變化值:最高溫度40℃，最高日平均溫度30℃，最高年平均溫度20℃，最低溫度－40℃。

(2）水冷卻的水溫自然變化值:最高溫度25℃。

以油浸式變壓器為例:環(huán)境空氣年平均溫度為20℃，額定運(yùn)行時(shí)線圈(對(duì)空氣）的平均溫度不超過65℃，線圈最熱點(diǎn)比線圈平均溫升高約13℃(一般油循環(huán)），也就是線圈絕緣最熱點(diǎn)溫度不超過20℃ +65℃ +13℃ =98℃，可以保證長(zhǎng)期在空氣年平均溫度20℃下，以額定負(fù)荷長(zhǎng)期運(yùn)行，線圈的絕緣使用壽命在20年以上。實(shí)際上大自然的氣溫并不是始終保持在20℃，變壓器以額定負(fù)荷長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，夏日氣溫高，線圈絕緣的運(yùn)行溫度高于98℃，實(shí)際使用壽命損失要大些;冬天氣溫低，線圈絕緣的運(yùn)行溫度低于98℃，實(shí)際壽命損失要小些，二者大致互相補(bǔ)償。如在一天24小時(shí)內(nèi)，若統(tǒng)計(jì)出2小時(shí)的老化率為2，10小時(shí)的平均老化率為1，12小時(shí)的平均老化率為0.8，則2×2+10×1+12 ×0.8=23.6，計(jì)算結(jié)果略低于24，由此可認(rèn)為其正常壽命損失為24小時(shí)。圖1為某油浸自冷電力變壓器在4種不同環(huán)境溫度正常壽命下的過負(fù)荷曲線圖。

圖1 不同環(huán)境溫度變壓器正常壽命下的過負(fù)荷曲線

圖1中:K1為初始負(fù)載相對(duì)于額定容量的倍數(shù);

K2為各環(huán)境溫度下能持續(xù)時(shí)間t的峰值負(fù)載倍數(shù);

t為運(yùn)行持續(xù)時(shí)間，單位是小時(shí)(h）;

θα是環(huán)境溫度。

同時(shí)，變壓器過負(fù)荷運(yùn)行，通常不應(yīng)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于變壓器過負(fù)荷能力的規(guī)定(見表5，正常壽命，過載前已帶滿負(fù)荷，環(huán)境溫度40℃）。變壓器在各種環(huán)境溫度和使用條件下，其所允許的過負(fù)荷，均應(yīng)在絕緣老化可以接受的限度內(nèi)，并且線圈最熱點(diǎn)溫度不超過140℃。

表5 變壓器過載的允許時(shí)間

表5中的數(shù)值是按照油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則的計(jì)算值。

3 小結(jié)

綜上所述，我們可以看出，在不影響變壓器正常壽命的情況下，完全可以適當(dāng)提高變壓器的負(fù)載率來提高變壓器的利用率。正常情況下，路燈專用變壓器的負(fù)荷特點(diǎn)決定了其即使負(fù)載率達(dá)到100%，其使用壽命也將遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的正常使用壽命。而且，當(dāng)前變壓器的更新淘汰往往不是因?yàn)檫_(dá)到了使用壽命，而是由于新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)而導(dǎo)致的升級(jí)換代。因此，實(shí)際使用中，可以考慮突破路燈專用變壓器70%負(fù)荷率的限值，來達(dá)到設(shè)施物盡其用的目的。

［1］GB/T 15164—94油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則［S］

［2］GB 1094電力變壓器［S］

［3］CJJ 45—2006城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］