先给答案：造纸厂变压器的选型依据是各区域负荷清单和纸机的穿越要求，而不是每吨纸的千瓦时基准。真正决定额定容量的，是三个与平均需求无关的因素：纸机分部传动向690 V母线回馈的谐波电流、制浆车间最大磨浆机电动机的启动电流，以及150 ms电压暂降会导致断纸、而300 ms暂降会导致停机重启这一事实。因此，一份合格的规格书应先按车间区域列出负荷清单，按区域施加需用系数和同时系数，根据实测谐波频谱对变压器进行降容，校验最大电动机启动时的电压暂降，最后才确定能将690 V和11 kV开关设备限制在故障额定值以内的阻抗。
关键要点
- 现代造纸机首先是一套传动系统，其次才是一个负载：一条690 V母线上挂有80–150个分段传动装置，其中大多数为回馈型，大多数配有二极管或主动前端，而正是这些前端决定了变压器的谐波负载。
- 应根据区域负载清单，以0.5–0.75的需要系数来确定造纸机变压器的容量，然后依据IEEE C57.110针对谐波进行降容——一条配有6脉波前端的690 V母线，在未加任何裕量之前就已损失13–20%的变压器容量。
- 制浆厂中最大的单台电机——一台10–30 MW的TMP精浆机——决定了母线强度的下限。一台12 MW精浆机在40 MVA、8%的变压器上直接在线启动，会将11 kV母线电压拉低12.5%；在25 MVA变压器上则拉低18.7%，并使同一配电板上的所有传动装置跳闸。
- 干式浇注树脂变压器适用于造纸车间、浆料制备区和漂白车间内部；油浸式变压器适用于33 kV户外场所及发电机升压环节。决策依据是火灾负荷和腐蚀，而非价格。
- 对于年运行8,000小时的工厂，在0.08 USD/kWh的电价下，1 kW的空载损耗在20年内约折合7,300 USD的资本化成本——这已超过一台4 MVA机组不同能效等级之间的价格差。
为什么造纸厂在成为变压器问题之前，首先是一个电气问题？
综合制浆造纸厂并非单一负荷、单一负荷率。它由八九个电气特性截然不同的工艺区域组成，沿厂区1–2 km分布，并接入单一132 kV或110 kV并网点。木料场全天频繁启停输送机。蒸煮器以平稳的90%负荷连续运行泵组。漂白车间在二氧化氯环境中运行数十台小型驱动装置。浆料制备打浆机汲取20–40 MW功率，每天大约启动两次。造纸机以95%可用率24小时连续运行，负荷曲线极为平稳，其需用系数几乎如同常数。回收锅炉和汽轮发电机使该厂在一年中的部分时段成为电力生产方。
上述每个区域都有各自的变压器、各自的故障水平以及各自的失效原因。这就是为什么在造纸厂中，有用的规格单位是区域变电站，而不是全厂总量。一个全厂范围的 kVA 数字无法告诉你 690 V 母线能否承受涂布刮刀负载阶跃，也无法告诉你 11 kV 配电板在精磨机启动时能否保持稳定。
| 制浆造纸车间区域 | 供电电压 | 连接负载占比 | 电气特性 | 典型变压器 |
|---|---|---|---|---|
| 木场、削片、木片输送 | 0.69 / 0.4 kV | 4–6% | 大量小型电机，频繁直接启动，粉尘环境 | 1–2 MVA 浇注树脂型，IP54 |
| 化学制浆、洗涤、筛选 | 11 kV + 0.69 kV | 10–14% | 连续运行泵，腐蚀性液体，负载平稳 | 8–16 MVA 油浸式 |
| TMP / CTMP 磨浆 | 11 kV（电机 8–30 MW） | 18–25% | 厂区最大电机启动，高启动转矩 | 25–40 MVA 油浸式 + VFD 或 LCI |
| 漂白车间 | 0.69 / 0.4 kV | 5–8% | ClO2 环境，小型驱动，潮湿 | 2–4 MVA 浇注树脂型，C5-M |
| 浆料制备（打浆、筛选） | 0.69 kV | 6–9% | 高启动转矩，VFD，负载阶跃 | 6.3–10 MVA 干式或油浸式 |
| 造纸机 | 0.69 kV 驱动 + 0.4 kV 辅助 | 22–28% | 80–150 个分部传动，再生制动，负载平稳 | 2–4 × 4–6.3 MVA |
| 涂布、压光、整饰、复卷 | 0.69 kV | 8–12% | 高加速度，深度再生，粉尘 | 6.3 MVA 浇注树脂型 |
| 回收锅炉、动力锅炉、汽轮机 | 11 kV 发电机母线 | 8–12% | 发电，逆功率，孤岛运行 | 40–63 MVA 升压变压器（油浸式） |
| 公用工程：水、气、废水、暖通空调 | 0.69 / 0.4 kV | 10–14% | 连续运行，低同时系数，室外泵 | 6–10 MVA 油浸式 |
从上表可以得出两个结论。第一，工厂的变压器总容量通常为其最大需量的 1.4–1.8 倍，因为各区域并不同时达到峰值，而且每个区域都需要一条不中断生产的维护停电通道。第二，变压器配置是混合型的：一座 700 t/d 的工厂将拥有 25–40 台 1 MVA 以上的变压器，而导致停机的几乎从来不是最大的那些。
一条 700 t/d 造纸机生产线实际承载多少连接负载？
以一台幅宽 8.4 m、设计车速 1,500 m/min、产量 700 t/d（即 29.2 t/h）的涂布文化纸机为例。造纸机本身——而非其上游的制浆厂——承载约 17 MW 的连接负载。下面的负载清单正是应当随变压器询价单附上的那种清单；如果供应商在没有该清单的情况下为造纸机变压器报价，那么这个数字只是猜测。
| 负载组 | 连接 kW | 需用系数 | 需量 kW | 系数的影响因素 |
|---|---|---|---|---|
| 流送系统和流浆箱 | 900 | 0.70 | 630 | 泵和风机在恒速下负载稳定 |
| 网部传动 | 1,200 | 0.60 | 720 | 低转矩，稳态时部分负载 |
| 压榨部传动 | 1,800 | 0.65 | 1,170 | 压区负载随纸种变化 |
| 干燥部传动和汽罩风机 | 3,400 | 0.75 | 2,550 | 汽罩和 MG 排风机接近额定值运行 |
| 施胶压榨 / 膜式涂布机 | 2,600 | 0.55 | 1,430 | 涂料泵和背辊传动 |
| 压光机 | 1,400 | 0.55 | 770 | 液压加载，短时峰值 |
| 卷纸机和复卷机 | 1,600 | 0.50 | 800 | 加速和减速，再生制动 |
| 纸机通风和除尘 | 2,100 | 0.70 | 1,470 | 连续运行，过滤器逐渐堵塞 |
| 液压、气动、润滑 | 700 | 0.50 | 350 | 间歇运行泵 |
| 纸机 MCC 辅助设备 | 1,300 | 0.45 | 585 | 照明、插座、小型驱动，高同时系数 |
| 合计 | 17,000 | — | 10,475 | 综合需用系数 0.62 |
在位移功率因数为0.96时，需求为10.9 MVA。这是大多数人止步的数字，但它是错误的数字。为该母线供电的变压器看到的是畸变电流，而非正弦电流，因此其可用容量低于铭牌值——下文谐波部分的计算将10.9 MVA提升至12.8 MVA。随后四台4 MVA机组各处于80%负载率，这正是纸机变压器应设计的负载水平：足够高以证明资产合理性，又足够低以吸收工段升级或变频改造而无需新增变压器。80%对于特定设计是否为安全的连续负载，取决于热点温升和日负载周期，这是负载率与过载指南的主题。
关于单位的说明：纸机母线通常规定为690 V，而非400 V。在690 V下，一台4 MVA变压器输出3,347 A，处于标准690 V开关柜的范围内。在400 V下，同样的4 MVA需要5,774 A，这将迫使采用并联电缆、并联开关柜，并在MCC处产生大得多的故障电流。这一单一选择——690 V对400 V——是纸机上最具影响的电压决策，而且通常由变频器供应商在讨论变压器之前就已做出。
纸浆厂应采用何种电压架构？
大多数工厂最终采用四个电压等级，具体数值由当地电力公司而非偏好决定。在欧洲和亚洲大部分地区，链路为132或110 kV进线，33或35 kV厂区配电，11或10 kV至大型电机和区域变电站，690 V至变频系统，400 V至照明和小功率用电。在北美，相同的架构表现为138/115 kV、34.5/13.8 kV、4.16 kV和480 V。
| 等级 | 典型容量 | 该等级连接设备 | 变压器阻抗 | 设计故障水平 |
|---|---|---|---|---|
| 132 / 110 kV电网 | 63–120 MVA | 电力公司互联、发电机升压 | 10–14% | 25–40 kA |
| 33 / 35 kV厂区环网 | 20–63 MVA | 区域变电站、长电缆线路、联络断路器 | 8–10.5% | 16–25 kA |
| 11 / 10 kV电机母线 | 8–25 MVA | 磨浆机、大型泵、风机、压缩机 | 6–8% | 13–20 kA |
| 690 V变频母线 | 2–6.3 MVA | 纸机工段、涂布机、卷取机 | 6–8% | 40–65 kA |
| 400 V辅助用电 | 0.63–2 MVA | 照明、暖通空调、小型MCC、仪表 | 4–6% | 25–50 kA |
电压等级并非自由选择：33 kV环网的存在是因为工厂物理上很长，而11 kV电缆至厂区远端在20 MW下不经济。11 kV等级的存在是因为8–30 MW电机不以690 V制造。690 V等级的存在是因为变频器功率额定值在约2 MW以上逐渐减少，且纸机需要数百台小型变频器共用一条母线。每个等级与其相邻等级之间都有一台变压器，且每台变压器承担不同任务：132/33 kV机组承载全厂负荷，33/11 kV机组承载启动电流，33/0.69 kV机组承载谐波。同样的推理分别应用于6、10、11、20和33 kV选项，详见电压等级选择指南。
为何690 V变频母线是现代纸机的真正核心？
纸机是一条连续纸幅，以1,500–2,000 m/min的速度依次通过一系列压区：流浆箱、网部、压榨、干燥、施胶压榨、压光、卷取。纸幅不能容忍工段之间的速度失配，因此每个工段都由其自身电机在闭环张力或速度控制下驱动。现代纸机有80–150个这样的工段，从网部回程辊的5 kW到卷取缸的400–600 kW不等。
这种架构产生的负载具有传统配电变压器未曾设计应对的特性：接近单位的位移功率因数、来自整流器前端的丰富谐波，以及在开卷站、卷取机和压光机上——当变频器减速或保持张力时——持续的反向功率流。因此，该母线上的变压器不是被动的kVA设备。它是变频系统的一部分，其阻抗、谐波承载能力和热时间常数都会体现在纸机的运行行为中。
| 驱动前端 | 母线处典型THDi | 变压器承受的K系数 | 能量回馈 | 选用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 6脉冲二极管整流，无扼流圈 | 35–45% | 6–9 | 无（制动斩波器） | 老旧设备或最低成本的小型驱动器 |
| 6脉冲二极管，带直流或交流扼流圈 | 25–35% | 3–5 | 无 | 改造项目，中等谐波要求 |
| 12脉冲二极管，带移相变压器 | 8–12% | 2–3 | 无 | 大型单机驱动，较早期装置 |
| 有源前端（AFE），带LCL滤波器 | 3–5% | 1.0–1.2 | 全回馈，四象限运行 | 现代分部传动、卷取机、涂布机 |
| 公共直流母线，AFE供电 | 供电单元处3–5% | 1.0–1.2 | 各分部之间共享 | 新建薄页纸机的默认方案 |
公共直流母线改变了整个计算逻辑。当40个分部共享一条直流母线时，减速的烘干部释放的能量供给正在加速的分部，只有净差值才回馈到交流侧。这减少了制动电阻的数量，降低了变压器的热循环，并使AFE供电单元——通常为2–4 MW——成为变压器实际面对的唯一整流器。谐波问题并未消失，而是集中了：不再是100台分散的6脉冲整流器，而是两到三台大型AFE单元，变压器即围绕这些单元进行选型。
如何为690 V纸机驱动母线后端的变压器进行选型？
计算分为四个步骤，每一步都可能改变结果。使用上述负荷清单：
- 步骤1 — 需求kVA：10,475 kW ÷ 0.96 = 10.9 MVA。这假设驱动器将位移功率因数校正至接近1，AFE驱动器确实能做到这一点。
- 步骤2 — 谐波降容：如果母线采用6脉冲前端、THDi为35%，IEEE C57.110在K系数4.7下的降容允许使用铭牌容量的85%，因此所需铭牌容量为10.9 ÷ 0.85 = 12.8 MVA。若采用AFE驱动器、THDi为4%，降容可忽略不计，需求保持在11.0 MVA。
- 步骤3 — 标准额定值与拆分：12.8 MVA取整为4 × 4 MVA，分布在两个母线分段上，即湿端和干端，母联开关正常断开。采用四台而非两台意味着单台变压器故障只会导致半台纸机停机，而非整台纸机。
- 步骤4 — 校验：稳态下驱动器端子处的电压调整率必须保持在690 V的±10%以内，并在分部加速期间高于驱动器的欠压跳闸值；690 V端子处的短路电流必须保持在开关柜额定值以内。
步骤3是纸机与一般配电的不同之处。一台4 MVA、690 V、阻抗8%的变压器，其端子处短路容量为50 MVA，即41.8 kA——在50 kA开关柜额定值以内，但不在40 kA以内。将阻抗降至6%会使短路电流升至55.8 kA，从而必须选用65 kA开关柜。反之，升至10%可将故障电流降至33.4 kA，但会在满载时给驱动器端子电压降增加1.5–2%，并使AFE更费力地维持直流母线。在690 V母线上，6–8%是实用窗口，8%是安全默认值。如果您需要的是MCC处而非变压器端子处的故障电流，短路电流计算中的三步法包含了电缆和电机贡献项。
| 变压器 | 阻抗 | 690 V处故障电流 | 满载电压降 | 开关柜等级 |
|---|---|---|---|---|
| 4 MVA, 33/0.69 kV | 6% | 55.8 kA | 4.2% | 65 kA |
| 4 MVA, 33/0.69 kV | 8% | 41.8 kA | 5.6% | 50 kA |
| 4 MVA, 33/0.69 kV | 10% | 33.4 kA | 7.0% | 40 kA |
| 6.3 MVA, 33/0.69 kV | 8% | 65.9 kA | 5.6% | 65 kA |
电压降数据为变压器在额定电流下的自身调整率，由阻抗和X/R比计算得出；不含电缆压降和上游阻抗。在实际690 V母线上，变压器到MCC的电缆压降在长距离敷设时可能再增加1.5–2.5%，这就是变压器通常布置在距驱动柜列50 m以内的原因。
为什么VFD谐波消耗的变压器容量比负荷清单显示的更多？
一台额定容量为4 MVA、50 Hz、带正弦波负载的变压器，其额定值为4 MVA、50 Hz、正弦波负载。在其二次侧接入6脉波整流器后，同样的4 MVA视在功率中现在含有35%的谐波电流，而这些谐波会产生基波不会产生的两种效应：在相同有功功率下增大有效值电流；并且通过集肤效应和邻近效应集中在绕组中，使涡流损耗大致随谐波次数的平方上升。IEEE C57.110之所以存在，正是因为第一种效应无法涵盖第二种效应。其机理以及在源头而非变压器处降低谐波电流的五种方法，已在变压器谐波指南中介绍。
降容是根据谐波频谱计算得出的，而不是凭经验法则：
Imax (pu) = √[ (1 + PEC-R) / (1 + K · PEC-R) ]
其中PEC-R为额定电流下涡流损耗占负载总损耗的比例（配电变压器通常为0.10–0.15），K为谐波损耗系数，K = Σ(h² · Ih²) / Σ(Ih²)。由于h²加权，K系数主要由低次谐波主导：5次谐波每单位的贡献是基波的25倍，这就是为什么含有30%五次谐波的频谱会产生K ≈ 4.7，而不是对THD的简单解读所暗示的K ≈ 1.2。
| 谐波次数 | 6脉波，占基波百分比 | 6脉波+电抗器，% | 12脉波，% | AFE，% |
|---|---|---|---|---|
| 5次 | 30 | 22 | 3 | 3.5 |
| 7次 | 15 | 11 | 2 | 1.5 |
| 11次 | 7 | 5 | 4 | 0.8 |
| 13次 | 4 | 3 | 3 | 0.5 |
| THDi | 35% | 25% | 9–12% | 4% |
| K系数 | 4.7 | 3.1 | 2.0–2.5 | 1.0–1.1 |
| 负载的K系数 | 可用变压器容量（PEC-R = 0.12） | 容量损失 | 该频谱的典型来源 |
|---|---|---|---|
| 1 | 100% | 0% | 线性负载、正弦波供电的电机 |
| 2 | 95% | 5% | 电机与小容量变频负载混合 |
| 4 | 87% | 13% | 带电抗器的6脉波变频器 |
| 6 | 81% | 19% | 不带电抗器的6脉波变频器 |
| 9 | 73% | 27% | 未滤波的小型变频器、UPS、IT负载 |
| 13 | 66% | 34% | 单相整流器、老旧直流调速装置 |
| 20 | 57% | 43% | 严重的多源畸变 |
由此得出两个实用结论。第一，K级变压器并不会给你更大的容量——它提供的是能够承受你实际K系数、且其中性线和绕组设计不会过热的变压器。容量仍然要从铭牌上扣除。第二，挽回损失的13–19%容量最经济的方法，是在一开始就为纸机指定采用AFE变频器：降容随之消失，再生能量免费获得，33 kV母线也不再需要失谐滤波柜。在认定6脉波变频器是经济选择之前，请将其与每个机段都增大一档变压器容量的价格进行比较。K级与加大容量的决策框架见K系数变压器选型指南。
制浆厂中最大的电机启动事件是什么——它会造成多大的电压跌落？
不是纸机，纸机通过变频器启动并斜坡升速。而是磨浆机。一条热机械浆生产线有两到三台磨浆机，每台由11 kV、10–30 MW的同步或异步电机驱动，每次启动都是一次系统事件：电机在磨片顶着木片负载升速的过程中，会以5–6倍额定电流持续10–40秒。
以一台12 MW磨浆电机为例进行计算：11 kV、效率0.96、功率因数0.95、堵转电流为额定电流的5.5倍：
- 电机额定视在功率 = 12,000 ÷ (0.96 × 0.95) = 13.2 MVA
- 启动视在功率 = 5.5 × 13.2 = 72.4 MVA
- 在11 kV下，即启动阻抗为11² ÷ 72.4 = 1.67 Ω，启动功率因数约为0.25
11 kV 母线上的电压暂降随后几乎完全取决于电源的强度。对于一台阻抗为 8% 的 40 MVA 变压器，电源阻抗为 0.242 Ω，母线电压降至额定值的 87.5% — 即 12.5% 的暂降。对于 25 MVA 变压器，同样的启动会产生 18.7% 的暂降，而对于 63 MVA 变压器则为 8.3%。
| 12 MW 磨浆机的启动方式 | 启动电流（额定值的标幺值） | 40 MVA、8% 电源下的母线暂降 | 启动转矩 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 直接启动 | 5.5 | 12.5% | 100% | 仅适用于非常强的母线（>63 MVA） |
| 自耦变压器，80% 抽头 | 3.5 | 8.4% | 64% | 木片负载较轻的既有装置 |
| 自耦变压器，65% 抽头 | 2.3 | 5.7% | 42% | 磨浆机可空载启动的场合 |
| 软启动器，3.0 × 限流 | 3.0 | 7.2% | 30% | 改造项目，无变频器，配有机械离合器 |
| 变频器或 LCI，110% 电流限制 | 1.1 | 2.8% | 任意转速下均为 100% | 新建生产线，以及任何带载启动的生产线 |
| 辅助电机启动 | <1.0 | <2% | 不适用 | 配有小型辅助驱动的同步磨浆机 |
大多数工厂采用的设计准则是：11 kV 配电柜处暂降限值为 10%，电机端子处为 15%，因为接触器在 70–75% 左右会释放，而变频器会在其自身的欠压设定值（约 80% 至 85% 之间）跳闸。因此，40 MVA 配电柜上 12.5% 的暂降并非边缘情况 — 它已超出限值，并且会使同一母线段上所有未采用 UPS 供电控制回路的接触器全部释放。正是在这一刻，工厂才发现磨浆机启动与造纸机共用同一母线段。
启动功率因数的重要性超出大多数潮流研究的假设。当启动功率因数为 0.25 时，电机几乎全部的启动阻抗都是无功的，因此暂降是 X/R 问题而非 R 问题，增加磨浆机电缆长度反而会使其略微恶化而非改善。这就是为什么从远处 11 kV 变电站供电的磨浆机，其暂降可能比由隔壁配电柜供电的同一台磨浆机更大，即使两者接在同一台变压器上。
磨浆机启动如何决定变压器阻抗？
在这里，各项要求相互矛盾。较高的阻抗可限制 11 kV 配电柜处的故障电流，并允许使用更便宜的开关设备；但它也会增大磨浆机启动期间的暂降，增加变压器负载损耗，并恶化整个区域的电压调节。下表将变压器容量固定为 20 MVA，针对同样的 12 MW 直接启动改变阻抗。
| 阻抗 | 11 kV 处故障水平 | 故障电流 | 12 MW 直接启动时的暂降 | 实际后果 |
|---|---|---|---|---|
| 6% | 333 MVA | 17.5 kA | 17.7% | 20 kA 开关设备，暂降远超限值 |
| 8% | 250 MVA | 13.1 kA | 22.3% | 16 kA 开关设备，仍超限值 |
| 10% | 200 MVA | 10.5 kA | 26.4% | 12.5 kA 开关设备，需要变频启动 |
| 12% | 167 MVA | 8.7 kA | 30.1% | 10 kA 开关设备，电压调节变差 |
反过来解读这张表，设计思路就清晰了：阻抗并不是使磨浆机启动变得可接受的工具。即使在 6% 时暂降也达到 17.7%，因为电机自身的启动阻抗占主导地位。解决磨浆机启动问题的工具是启动方式 — 变频器、LCI 或辅助电机 — 一旦启动电流被限制到 110%，变压器阻抗就可以仅根据故障电流和电压调节来选择。试图用更大变压器来解决磨浆机启动问题的工厂，最终会为服务 20 MW 负载而购买 63 MVA 变压器，这是一种避免使用变频器的昂贵方式。
为什么 100 ms 的电压暂降会断纸 — 断纸的代价是什么？
造纸机的纸幅没有惯性。纸幅在各分部之间以张力保持，如果某一分部在 100 ms 内失去转矩而其相邻分部继续运行，张力瞬变要么直接拉断纸幅，要么产生一个更厚、更薄弱的部位，在下一个压区处断裂。变频器本身通常能承受暂降；纸幅则不能。其过程是：暂降，一两个分部因欠压或过流跳闸，纸幅断裂，损纸充满碎浆机，操作人员花费 15–45 分钟从流浆箱到卷纸机重新引纸。
| 设备 | 典型电压暂降耐受能力 | 在100 ms、20%电压暂降下的表现 | 缓解措施 |
|---|---|---|---|
| 直接启动（DOL）异步电机 | 0.80 pu，持续2 s | 转速下降，电压恢复后回升 | 无需处理 |
| 接触器线圈 | 0.70–0.75 pu时释放 | 释放，电机停机，不会自动重启 | 采用自锁接触器或UPS保持线圈 |
| 6脉冲变频器 | 典型默认0.85 pu，持续100 ms | 除非配置了穿越功能，否则跳闸 | 动能缓冲、直流母线支撑、飞车启动 |
| AFE变频器 | 0.85 pu持续100 ms，或经编程后0.70 pu持续500 ms | 因直流母线欠压跳闸 | 穿越功能编程、增大直流母线 |
| PLC与安全系统 | 由UPS支撑穿越 | 持续运行，发出停机序列 | UPS仅用于控制回路，不用于动力回路 |
| 纸幅 | 无耐受能力 | 断纸 | 全部分部协调穿越 |
断纸的代价不在于电费。对于一台日产700 t、生产涂布文化纸的纸机，一次断纸会造成3–5小时的生产损失（包括重新引纸和损纸处理），按29 t/h的产量和每吨300–600美元的边际贡献计算，每次断纸损失为26,000–87,000美元，此外还有损纸价值及下游排产中断的损失。因此，每年发生10–30次断纸的纸厂会在穿越能力上投入真金白银，而变压器规格就是这项投入的一部分：低阻抗、刚性更强的母线可为变频器提供更大的裕量，而具备快速母线切换方案的纸厂可在200–300 ms内将纸机切换至健康的进线电源，而不是造成断纸。
油浸式还是干式 — 在造纸厂中各自适用于何处？
在造纸厂中，选择由安装位置决定，而非个人偏好。干式浇注树脂变压器是建筑物内的默认选择，因为它没有可燃烧的油、不需要围堰、不需要防火墙，也不需要维护氮气或储油柜。油浸式变压器则是33 kV及以上户外场所的默认选择，因为其单位MVA成本更低、效率更高，且在炎热气候下散热能力更好。
| 位置 | 电压/容量 | 推荐类型 | 原因 | 关键规格要点 |
|---|---|---|---|---|
| 户外132/33 kV变电站 | 40–120 MVA | 油浸式，ONAN/ONAF | 单位MVA成本、效率、散热 | 储油柜式或全密封式、OLTC、Buchholz继电器、防火墙 |
| 33/11 kV区域变电站，室内 | 20–40 MVA | 油浸式，置于防火隔间内 | 故障水平与成本；此容量下干式变压器价格昂贵 | 耐火等级2–3 h、围堰、水喷淋、气体检测 |
| 造纸车间，690 V | 4–6.3 MVA | 浇注树脂干式，IP54 | 高火灾负荷和纸尘环境建筑物内不得有油 | F/H级绝缘、45 °C环境温度、防凝露加热器 |
| 制浆车间，690 V | 4–10 MVA | 浇注树脂干式 | 粉尘、振动、室内安装 | K系数额定或降容、IP54、抗震支撑 |
| 漂白车间 | 1–4 MVA | 浇注树脂，密封式，C5-M | ClO2和湿气腐蚀金属，油是第二重危害 | ISO 12944 C5-M涂层、IP55、316不锈钢紧固件 |
| 发电机升压 | 40–63 MVA | 油浸式，ONAF | 户外、逆功率、高效率 | 双电压OLTC、逆功率保护、11/132 kV |
有两个造纸厂特有的要点常被忽视。第一，造纸车间内的浇注树脂变压器运行在40–45 °C环境温度下，且纸尘会沉积在绕组上，因此其额定容量必须按环境温度进行修正，外壳设计必须确保粉尘不会桥接绝缘 — 应采用带过滤通风路径的IP54，而非IP21。第二，防火策略必须在订购变压器之前确定：FM Global数据表5-4和当地保险公司将规定油浸式设备的间距和耐火等级，而在已安装的变压器周围加装防火墙，其成本远高于从一开始就选择干式变压器。
漂白车间、湿端和造纸车间对规格有何影响？
造纸厂的潮湿、温热和腐蚀性环境是通用工业所不具备的。有四种环境因素驱动规格制定：
- 漂白车间：40–50 °C、高湿度环境，存在二氧化氯和氯气气氛。碳钢外壳在3–5年内即会腐蚀。应指定采用ISO 12944 C5-M涂层、316不锈钢紧固件、密封浇注树脂绕组、IP55防护等级，并在外壳上预留腐蚀裕量，而非仅依赖涂装体系。
- 造纸机车间：环境温度40–45 °C，湿端相对湿度80–90%，纸尘无处不在。环境温度高于40 °C时需降容，应指定在变压器停机时通电的防凝露加热器，并将设备布置在清洗水无法流到外壳上的位置。
- 浆料制备：来自磨浆机和筛浆机的振动，以及蒸汽和浆料飞溅。应指定按磨浆机基础额定值设计的地震或振动支撑、柔性母线连接，并将变压器布置在飞溅区之外。
- 废水与水处理：户外安装，下水道气氛中含硫化氢，泵频繁启动。应采用带C4/C5涂层的油浸式设备、密封电缆盒，以及无需停机即可进行维护的检修通道。
环境温度修正不是四舍五入的误差。一台额定环境温度为40 °C的4 MVA浇注树脂变压器在45 °C时约损失5–8%的容量，而一台33 kV油浸式设备在其额定环境温度以上每升高1开尔文约损失1%。在造纸机车间全年有六个月处于45 °C的工厂中，这一修正必须在询价阶段就纳入，而不是在调试时才发现。海拔同样如此，这对位于高海拔地区的工厂尤为重要；修正方法与任何配电变压器所用的方法相同，在确定额定值之前值得核对降容曲线。冷却级、温升与允许负载之间的关系在冷却方式与温升指南中有所阐述。
工厂应如何配置以确保可靠性？
造纸厂每年运行350天，每次非计划停机损失30,000–90,000美元，因此冗余问题是一个经济问题而非理念问题。以下四种配置几乎涵盖了所有工厂；选择通常按区域进行，而非针对整个厂区。
| 配置 | 变压器容量 | 可用率 | 变压器故障期间的停电情况 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 单辐射式 | 1.0 × 需求 | 99.0–99.5% | 区域停机直至更换完成（数周） | 木场、公用工程、非关键辅助设施 |
| 双端供电带常开联络 | 2 × 区域需求的65–75% | 99.7–99.9% | 经200–300 ms切换后区域以降低的负载继续运行 | 造纸机、浆料制备 |
| 2 × 100%带自动切换 | 2 × 100% | 99.9% | 无生产损失，切换时间<300 ms | 关键MCC、涂布机、卷取机、DCS电源 |
| 33 kV环形或网状 | 环网整体N+1 | 99.8–99.9% | 环网重新配置，退出一根电缆或一台变压器 | 区域之间的厂区配电 |
具体到造纸机，行之有效的模式是在两个分段上配置四台变压器，带常开联络和快速切换方案：每对变压器以80%负载承担一半的纸机负荷，当一台设备失电时联络闭合，纸机以降速继续运行，同时甩掉涂布机和一台卷取机。这是一种有意的折中——在16 MVA的纸机母线上实现完整的2 × 100%配置难以证明其合理性，而单辐射式配置则站不住脚。
有一个可靠性细节在停机后很容易出错。当工厂重新送电时，配电盘上的每台变压器都会在同一时刻产生励磁涌流，一台4 MVA设备可在100–200 ms内汲取8–12倍额定电流。如果在进线开关闭合时纸机传动已处于使能状态，涌流引起的电压暂降足以使其跳闸。解决办法是采用分阶段送电顺序——先送变压器，2–3 s后再使能传动，然后按顺序加速各分段——该电流背后的物理原理在变压器励磁涌流指南中有所说明。
为什么造纸厂除了降压变压器还需要升压变压器？
大多数综合制浆造纸厂自行生产大部分电力。回收锅炉加上生物质锅炉再加上抽凝式汽轮机，通常在11 kV下可提供30–60 MW的电力，部分市场的纸厂会将余电出售给电网，另一些市场则在夜间从电网购电。这就需要一台11/132 kV或11/110 kV的发电机升压变压器，按汽轮机额定容量并留有过载裕度进行选型，而这会改变整个厂区的保护与计量理念。
这对变压器规格带来三方面影响：
- 反向功率流：纸厂的33 kV和132 kV变压器必须按双向功率输送进行规格设计，配备方向过流继电器和逆功率继电器，并具有双向均能正常工作的分接范围。仅按购电方向设计的变压器，其OLTC分接范围在纸厂以105%电压向外送电时会用尽分接档位。
- 流向电网的谐波：当纸厂向外送电时，造纸机传动装置产生的谐波会经升压变压器流向电网接入点。IEEE 519限值适用于该接入点，而非690 V母线，且电网公司会对其进行测量。这就是为什么在自身11 kV配电板上谐波达标的纸厂，仍可能收到网络运营商关于电能质量的投诉。
- 孤岛运行：若电网供电中断，纸厂可能依靠自身发电孤岛运行。此时升压变压器承载全部厂区负荷，故障水平与并网时截然不同，且背后没有电网惯量支撑，减载方案必须针对该工况而非并网工况进行设计。
对于年运行8,000小时的纸厂，损耗资本化是怎样的？
造纸厂变压器连续运行，因此其损耗是一项资本成本，而非运行细节。按年运行8,000小时、0.08 USD/kWh、20年寿命和6%折现率进行资本化，年金系数为11.47。则每千瓦空载损耗价值为8,000 × 0.08 × 11.47 = 7,341美元，在70%负载率下每千瓦负载损耗价值为8,000 × 0.49 × 0.08 × 11.47 = 3,597美元。
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 运行小时数 | 8,000 h/年 | 350天，平均每天23小时 |
| 电价 | 0.08 USD/kWh | 工业电价，按当地调整 |
| 折现率 | 6% | 加权资本成本 |
| 寿命 | 20年 | 纸厂变压器典型寿命 |
| 年金系数 | 11.47 | (1 − 1.06−20) / 0.06 |
| 1 kW空载损耗价值 | 7,341美元 | 8,000小时全额计值 |
| 1 kW负载损耗价值 | 3,597美元 | 按70%负载率 |
将其应用于一台4 MVA、空载损耗3.2 kW、负载损耗32 kW的变压器：年耗电151,040 kWh，年费用12,083美元，20年寿命期内合计138,593美元。这个数字可用于与S13与S20等级变压器之间、或标准设计与低损耗设计之间的价格差异进行比较。在大多数情况下，低损耗变压器在纸厂负载工况下占优，而在2,000小时负载工况下处于劣势，这就是为什么同一台变压器对造纸厂是正确选择，而对建筑工地却是错误选择。完整方法，包括如何处理负荷增长以及如何将资本化成本与采购价格一并考量，详见全生命周期成本计算。
造纸厂变压器成套设备的询价文件应包含哪些内容？
造纸厂询价失败通常有两种情形：要么供应商按标准配电变压器报价，而谐波、启动工况或腐蚀环境等问题在后期才被发现；要么询价过于宽泛，导致每份报价对应的都是不同的产品。下面的数据清单可同时弥补这两个缺口。它也是用于比较各报价的清单，因为无法回答第5、6、9项的报价，就不是针对本应用场景的报价。
| # | 数据项 | 供应商为何需要该数据 |
|---|---|---|
| 1 | 区域负荷清单：各组的连接kW、需用系数、需用kW | 依据工程设计而非经验法则确定额定容量 |
| 2 | 变压器安装位置：室内/室外、环境温度、湿度、腐蚀等级 | 决定型式、外壳、涂装体系及降容 |
| 3 | 一次侧和二次侧电压、联结组别、分接范围 | 690 V下Dyn11为标准配置；分接范围必须覆盖电网电压波动范围 |
| 4 | 阻抗目标值及允许范围 | 同时决定故障电流和电压调整率 |
| 5 | 谐波频谱或K系数，以及降容所依据的标准 | IEEE C57.110降容、K级额定或加大铁心 |
| 6 | 最大电机启动：额定功率、启动方式、电流限值、允许电压跌落 | 确认母线是否足以支撑磨浆机或变频器启动 |
| 7 | 工作制：连续、周期性、预期负荷曲线 | 热设计和冷却级选择 |
| 8 | 损耗评估：空载损耗和负载损耗的资本化系数 | 使能效等级可在同一数值上进行比较 |
| 9 | 冗余方式：单台、双端、2 × 100%、切换时间 | 决定机组按65–75%还是100%容量选型 |
| 10 | 保护与监测：温度、瓦斯保护或压力释放、DGA取样 | 状态监测的成本低于故障损失 |
| 11 | 标准：IEC 60076或IEEE C57、能效等级、CE/UL要求 | 决定试验方案和文件资料包 |
| 12 | 现场条件：海拔、抗震设防烈度、雪荷载和风荷载 | 机械设计和降容 |
| 13 | 交货、运输路线及吊装限制 | 40 MVA机组可能无法通过进场道路 |
第13项值得单独勘察。一台40 MVA、132/33 kV的机组带油重达60–80 t，下单前需对桥梁限载、架空线路和转弯半径进行路线勘察；而用于造纸车间的4 MVA浇注树脂干式机组可能需要通过2.5 m宽的门洞，并在屋顶封闭前吊装就位。运输和安装限制条件，包括充氮油运输及搬运过程中的倾斜限值，详见运输与安装指南。
常见问题
一台33/0.69 kV变压器能否为整条造纸机供电？
技术上可行，实际上不可取。单台16 MVA、690 V机组需要13,400 A的母线，整条生产线会因单一故障而全部停机，而且所有变频器的谐波电流都会集中在一个绕组上。采用两台分段、每段两台4 MVA机组，开关柜成本更高，但停产损失更小，并且可以在不停机的情况下将一台机组退出运行进行维护。
如果所有变频器都是AFE型，是否还需要K级额定变压器？
不需要，为此付费是常见的浪费。带LCL滤波器的AFE变频器产生的THDi为3–5%，对应的K系数接近1。采用中性点截面合适的标准变压器即可满足要求。当母线上仍存在6脉冲变频器时，K级额定才有意义——典型情况是改造项目中部分设备已升级、部分未升级。
为磨浆机供电的变压器应规定多大阻抗？
首先根据故障电流和电压调整率选择，然后校验启动。对于11 kV、20 MVA变压器，8%阻抗可将故障电流限制在13.1 kA，与16 kA开关柜匹配；提高到10%可节省一个开关柜框架，但会使直接启动磨浆机时的电压跌落增加4%，这是不划算的取舍。如果磨浆机直接启动且电压跌落超过10%，解决方案是采用VFD或软启动器，而不是更换变压器。
造纸厂变压器可以安装在室内吗？
可以，而且大多数690 V机组变压器都安装在室内。浇注树脂干式机组专为室内安装设计，无需围堰或防火墙，并可提供IP54外壳以适应多尘和潮湿环境。限制条件是环境温度、通风和粉尘管理，而非变压器技术本身。20 MVA以上的油浸式机组安装在室内需要防火隔间、围堰，通常还需要水喷淋系统，因此通常布置在室外或专用变电站建筑内。
Sources / 资料来源
来源：IEC 60076-1 — 电力变压器，通用要求。
来源：IEC 60076-2 — 液浸式变压器的温升。
来源：IEC 60076-11 — 干式电力变压器。
来源：IEC 60038 — 标准电压，包括 690 V 电压等级。
来源：IEC 60034-12 — 单速三相笼型感应电动机的起动性能。
来源：IEEE C57.110-2018 — 在供给非正弦负载电流时变压器能力的确定。
来源：IEEE 519-2014 — 电力系统中的谐波控制。
来源：IEEE C57.12.00 — 液浸式配电、电力和调压变压器的通用要求。
来源：GB/T 6451-2015 — 三相油浸式电力变压器的技术参数和要求。
来源：GB 20052-2020 — 电力变压器能效限定值及能效等级。
来源：GB/T 1094.1-2013 — 电力变压器，总则。
来源：欧盟委员会第 548/2014 号条例 — 小型、中型和大型电力变压器的生态设计要求，自 2021 年 7 月 1 日起执行第 2 阶段。
来源：美国能源部，10 CFR 第 431 部分 K 子部分 — 配电变压器节能标准。
来源：ISO 12944-2 — 钢结构腐蚀性类别，沿海和工业大气环境为 C5-M 类。
来源：NFPA 70（国家电气规范）第 450 条 — 变压器和变压器室。
来源：NFPA 13 — 自动喷水灭火系统的安装，用于造纸厂火灾负荷场景。
来源：FM Global 数据表 5-4 — 变压器，保险公司对隔离和防火的要求。
来源：IEC 60079-10-1 — 危险区域分类，适用于溶剂型涂布车间。
来源：QDTB 工程经验 — 造纸厂区域负荷清单、690 V 分段传动母线选型、精浆机起动研究和谐波降容实践。标注为行业经验的数值为造纸厂项目的典型范围，并非已发布的标准。
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