欧阳丽娴
江门市电力工程输变电有限公司 广东江门 529000
摘要：自耦变压器在稳定电压方面具有重要的应用。本文分析了利用自耦变压器改善超高层建筑应急供电系统电压偏差问题，并结合项目实例，对自耦变压器在超高层建筑应急供电系统的应用进行了分析与探讨，以期能够为今后超高层建筑应急供电系统提供一种新的供电方式。
关键词：自耦变压器;电压;负荷计算
引言
近年来，随着我国经济的不断发展，超高层建筑越来越多，对于供电方式、供电要求也越来越严格。自耦变压器作为一种供电方式，具有结构简单、用料省、体积小等优点，非常适用于大容量负荷的供电，对通信线路的干扰又较小，因而被广泛采用。鉴于此，本文就对超高层建筑中由于柴油发电机母线供电路线距离较长而造成的电压损失问题进行分析，并通过采用自耦变压器方式解决了产生的电压降问题，进而保证了超高层建筑应急供电系统的安全可靠。
1.利用自耦变压器改善超高层建筑应急供电系统电压偏差问题
1.1选择自耦变压器作为改善电压降措施的原因
自耦变压器是一种单圈式变压器，一、二次侧共用一个线圈绕组，与同容量的一般变压器相比，尤其是变比接近于1的场所显得特别经济；同时自耦变压器相对体积较小，比较容易搬运，在超高层建筑吊装、运输难度大的情况下更显其优越性。因此，在相关条件受限制时，使用自耦变压器作为一个中间变压器，正确选择自耦变压器的电压分接头，可以达到改善电压偏差的效果。
1.2负荷计算
在确定选择自耦变压器作为改善电压降措施后，如何正确选择自耦变压器的电压分接头，需要通过电压损失计算。根据电压损失公式（按三相平衡负载）：
由以上公式可以看出，电压损失与配电线路长度、配电线路的阻抗以及流经该线路的电流成正比。配电线路的长度及阻抗值均为恒定不变的，而电流会因负荷的变化而变化，因此，无论是自耦变压器的容量的确定，还是变压器抽头的确定，都需要进行负荷计算。
由于柴油发电机是作为应急电源使用，因此，改善柴油发电机馈线电压降的自耦变压器自然而然地作为应急及备用负荷的变压器，在负荷统计时，应与柴油发电机负荷统计相同。
柴油发电机组确保的供电范围一般为：①消防设施用电：消防水泵、消防电梯、防排烟设施、消防控制中心火灾自动报警系统、防火卷帘、应急照明等在火灾时需要持续供电的设备；②非消防重要负荷用电：安防系统用电、电梯、通讯系统、中大型计算机房、航空障碍灯及一些重要场所的用电。
1.3负荷的设定及变压后电压的确定
通过对消防负荷和非消防重要负荷的计算，将得出的较大者作为选用自耦变压器容量的依据，但在非消防重要负荷使用情况下，由于用户在使用时用电负荷不是一个恒定值，尤其在春、秋季节，用电负荷相对较低，因此在计算电压降及选取自耦变压器分接头时，应将重要负荷用电量较低时的情况考虑在内，以免电压过高，引起重要用电设备电流过大，反而得不偿失。因此，计算非消防重要负荷电压降及选用自耦变压器分接头时，建议考虑非消防重要负荷20%~100%用电负荷范围电压损失情况。
另外，通过自耦变压器变压后的线路直接接入低压配电母线，而低压配电母线至远端设备末端的线路也存在电压降的情况，在计算时还需考虑最远端与最近端的设备，使变压后的电压在规范允许范围内。
由于平时变压器输出电压为400V，在正常情况下基本能满足所有负荷的正常工作，因此我们考虑自耦变压器分接头的变压范围设定，使其变压后尽量以400V左右电压输出；设定分接头最低电压，使变压后的最低输出电压Umin=380-380×2.5%≈370V，留取10V左右的电压作为自耦变压器本身、低压柜至末端设备的电压损失量；设定分接头最高输出的电压为Umax=400+400×2.5%=410V；取二者的中间值作为常用分接头。
最后，选定自耦变压器常用分接头后，需校验各种负荷不同工况下，自耦变压器升压后的电压是否能满足规范所规定的电压损失值。
2.项目实例
2.1项目简介
某建筑建筑面积约20万m2，地下3层，地上68层，建筑高度约339m；建筑性质为办公楼及酒店。其中地下1层的酒店机房区、1层裙房、主楼1~4层及餐饮区由设于10层设备层一座20/0.4kV变电所供电；57~68层为酒店客房区及行政酒廊，由设于57层设备层一座20/0.4kV变电所供电；办公楼分为低、中、高3个区，地下1层设2座20/0.4kV变电所为办公楼地下设备机房、停车库以及5~10层办公楼低区及设备层办公用电服务，26层设4座20/0.4kV变配电所为办公楼中区及办公设备机房服务，42层设1座变配电所为办公楼高区及办公设备机房服务。2台2000kVA柴油发电机作为应急及备用电源经柴油发电机开关柜通过母线分别供给地下1层、26层、42层变电所，为办公楼的消防及其他一级负荷供电；1台2000kVA柴油发电机作为应急及备用电源，经耐火母线分别供给酒店10层变电所应急段母线及58层变电所应急段母线，为酒店的消防及其他一级负荷供电；柴油发电机额定电压均为0.38kV，均设置于地下1层柴油发电机房内。由于本项目建筑楼层较高，尤其是酒店柴油发电机供出的楼层分别为10层与57层，由柴油发电机配出至柴油发电机低压配电柜采用4000A耐火母线，柴油发电机低压配电柜馈出的母线均选用2000A耐火母线，两者供电距离相差很大，当10层电压能满足电压降要求时，57层低压母线侧的电压则会过低；而为满足57层低压侧电压时，10层低压侧母线的电压又超过规定值。由于10层设备层变电所面积较小，57层变电所空间有富余，因此定为57层设置自耦变压器升压，从而调整供电线路的电压损失。
2.2应急负荷计算
根据现场实际采购设备的用电参数，对57层变电所所有应急负荷进行计算，计算时按照消防负荷与非消防重要负荷进行分类，采用需用系数法计算。消防负荷计算如表1所示，非消防重要负荷计算如表2所示。
表1消防负荷计算
2.3电压降计算
供电线路电压降计算根据以下公式：Δu=姨3Il（R′cosφ+X′sinφ）10Un%=PR+QX10Un2%式中：P———负荷有功功率，kW；R———串联元件的电阻，Ω；Q———负荷无功功率，kvar；X———串联元件的电抗，Ω。本项目采用GEPro耐火母线，查询其样本，得到4000A耐火母线的电阻率为0.0118mΩ/m，感抗率为0.00635mΩ/m；2000A耐火母线的电阻率为0.0279mΩ/m，感抗率为0.0142mΩ/m。因此可得母线电阻及电抗如下：R4000=75×0.0118=0.885mΩ；X4000=75×0.00635=0.476mΩ；R2000=410×0.0279=11.44mΩ；X2000=410×0.0142=5.822mΩ。
2.3.1消防状态电压降计算
消防状态下，消防应急负荷经过前面计算P=391.5kW，Q=377.12kvar，则：
Δu=Δu1+Δu2=
=4.98%消防状态下电压损失为：
U1=UN×Δu=380×4.98%=18.9V
虽然在规范要求范围内，但若考虑从低压母线侧至设备末端的线路损失，实际上在消防状态下，配电距离较远的消防设备电压损失值已经超出了-5%的范围。
2.3.2非消防重要负荷的电压降计算
非消防状态下，由于用电负荷不恒定，尤其在春、秋季节，本项目一些24h的空调系统用电量会较少，因此在计算时人为设定最低用电量为所有重要负荷的20%，最高为重要负荷的100%计算。
按20%用电负荷计算电压降：
=0.137%+1.75%
=1.887%
电压损失为：U1min=UN×Δumin=380×1.887%=7.17V，在规范允许范围内，可以不需要升压。
按100%用电负荷计算电压降：
=0.687%+8.75%
=9.437%
电压损失为：U1max=UN×Δumax=380×9.437%=35.86V，电压损失已经超出规范要求，需要自耦变压器进行升压。
2.4自耦变压器分接头选择
通过上述计算，我们发现柴油发电机负荷中，消防负荷的电压损失介于非消防状态下最小负荷与最大负荷之间，因此只要满足非消防状态下的最小负荷与最大负荷的电压范围，消防负荷也能满足要求，则自耦变压器分接头选择可根据非消防负荷的最小负荷与最大负荷进行选择。
因此，设定自耦变压器的升压分接头接近9%。然后对9%的分接头分别针对最大负荷与最小负荷进行校验，验算是否能满足电压损失。最大负荷时：
U2max=（380-35.86）×1.09=375.1V
电压控制在设定电压370V以上，满足设定条件。
最小负荷时：
U2min=（380-7.17）×1.09=406.4V
电压控制在设定电压410V以下，满足设定条件。
2.5自耦变压器的选定、变电所布置及运行结果
2.5.1自耦变压器的选定
通过上述计算，考虑到为今后业主设备增容留有一定余量，同时考虑重要负荷使用时保证其可靠性，选用1250kVA自耦变压器作为升压变压器。通过与变压器厂协调，并留有调节空间，同时增设7%、11%的分接头留作备用，即设置7%、9%、11%3组分接头。
在与厂家沟通之后，得到自耦变压器的外形尺寸（含机箱及散热装置）为880mm×620mm×1150mm（长×宽×高），结合原始设计的变电所高低压柜及20/0.4kV变压器设置，另外建筑塔楼主体结构为钢结构，由于57层设备层负重较重，结构设计设置了伸臂桁架梁，综合以上因素对变电所布置的影响，重新布置变电所如图1所示。
在设备调试过程中，通过自耦变压器升压后，实际测得的数据基本与计算值相近。该建筑开业3年多以来，电气供电设备运行正常，选择采用自耦变压器改善供电线路电压偏差达到了预期的效果。
图157层变电所布置图
1———高压开关柜；2———自耦变压器进线柜；3———自耦变压器；4———自耦变压器馈线柜；5———20 / 0. 4 kV 变压器；6———低压开关柜。
注： 57层变电所布置时， 考虑到结构伸臂桁架对变电所的影响，故在布置时将结构图附着在平面图上。
2.5.2不足之处
由于柴油发电机出线4000A母线供给10层及57层用电，上述计算用电负荷只基于57层用电设备负载，10层用电设备负载暂无考虑，当正常供电故障时，10层用电负荷也会叠加到4000A母线上，通过后续一系列计算，当10层与57层重要负荷满负荷运行时，叠加在4000A母线上的电压损失为5V左右，对整个系统运行而言，影响相对较小。
3.结语
综上所述，在超高层建筑中利用自耦变压器可以达到改善电压偏差的效果，是改善电能质量的一个相对较好的方法。虽然应用自耦变压器存在着一定的缺点，但我国还是非常重视自耦变压器的应用，这主要是与电力系统向大容量高电压的发展是息息相关的，随着容量增大，电压升高，自耦变压器的优点就更为显著，可在实际应用中发挥其极大的价值。
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[3] 李洋.220kV自耦变压器推广应用的技术经济分析[J].科技资讯.2017,15(23):43-44
论文作者:欧阳丽娴
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/28
标签：电压论文; 变压器论文; 负荷论文; 母线论文; 变电所论文; 发电机论文; 柴油论文; 《防护工程》2018年第8期论文;