建筑電氣設計中的變壓器節能分析討論

唐日強 張君義 王自鵬

（許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000）

建筑行業是傳統的能源消耗型領域，而變壓器不僅是建筑工程電氣系統中的重要組成部分，同時也是產生能源損耗的關鍵環節之一，其在輸配電系統中的電能損耗在總損耗量的占比能夠達到40%～50%左右。所以必須采取有效的節能設計方法，根據建筑電氣系統的實際情況，合理選擇節能型變壓器設備和容量，并通過優化變壓器的運行方式、無功補償以及抑制諧波等方式來減少變壓器對電力能源的損耗，提高建筑電氣系統的整體節能效果。

1 概述建筑工程電氣系統中的變壓器節能設計

建筑工程電氣系統變壓器節能設計的主要目的是在保證電氣系統正常運行的基礎上降低變壓器的損耗。通常變壓器能效包括靜態能效以及動態能效兩部分。其中靜態能效主要是變壓器設備在加工制造過程中通過新技術工藝和新材料的應用來使其固有損耗降低。而動態能效則主要指的是變壓器設備運行中受相關動態參數因素的影響而產生的損耗[1]。目前在大多數建筑工程電氣系統末端中廣泛使用了容量較大的變壓器（2 000 kVA容量級以上），電壓等級10 kV的變壓器設備，此類變壓器設備在運行過程中會產生大量的電能損耗，因此是建筑電氣節能設計中的重點環節。而變壓器的節能效果也將直接關系到建筑工程整體電氣系統節能設計水平，對建筑行業的可持續性發展也具有十分重要的意義。

2 建筑工程電氣系統中的變壓器節能設計分析

2.1 節能型變壓器設備的合理選擇

在建筑電氣設計中，設計人員首先要根據電氣系統內所有用電設備的實際需要來選擇變壓器的型號，以保證電能輸出的質量和穩定性，在此基礎上要盡量選擇節能效果比較好的變壓器設備。根據我國現行標準，S13以上型的變壓器系列設備為節能型產品，其能效等級和能效限定值等指標參數均能夠達到節能要求。在各種節能變壓器設備中，超導變壓器以及非晶合金型設備是目前節能效果比較理想的變壓器產品。所謂非晶合金也就是高溫鋼水在極短時間內迅速降溫后，其原子在急速固化作用下而產生的無序排列，從而形成了非晶態合金材料，這種材料由于結構特殊，因此其軟磁特性十分突出，而利用非晶合金材料生產的變壓器設備能夠有效減少對電能的損耗[2]。與傳統變壓器相比，非晶合金變壓器的空載損耗能夠降低60%～80%左右，節能效果十分明顯。不過由于非晶合金設備的生產成本較高，因此在實際設計中必須充分考慮其價格因素和經濟性。設計人員應綜合分析其在全壽命周期的購置成本、運行成本以及節能效果等因素，并結合建筑工程的具體情況來合理選擇相應的變壓器設備，以實現節能設計的目的。

2.2 變壓器容量的合理選擇

設計人員應根據建筑工程中電氣系統的實際荷載以及等級來合理選擇變壓器設備的臺數和容量，并在保證滿足所有用電負載正常運行的基礎上，提高容量設計的經濟性。在設計實踐中，如果建筑工程的電氣系統主要為三級負荷時，設計人員可以只配置1臺變壓器設備；如果建筑電氣系統的負荷達到了2級以上時，則應配置2臺以上的變壓器設備[3]。同時設計人員還要根據建筑功能來合理區分生活區負荷以及動力負荷，以確保其運行的穩定性。如果建筑電氣系統中存在不同計量等級負荷時，則應分別設計相應的變壓器設備。此外，當用電內負荷需要遠距離輸電或者負荷為關鍵節點時，設計人員則應采取專門設置具有一定獨立性的變壓器設備的方式來確保其供電的穩定性。當變壓器臺數確定后，設計人員還應通過TOC等先進的算法來對變壓器設備的具體經濟容量進行計算分析，從而減少變壓器的空載損耗，實現變壓器節能設計的目的。

2.3 優化變壓器的運行方式

通常在建筑電氣設計中為了保證電力系統的運行安全會在變壓器容量選擇中留出安全余量，這使得在變壓器普遍存在容量偏大的情況。同時建筑電氣系統的用電會存在峰谷波動的現象，因此在設計中要優化變壓器的運行方式，防止變壓器由于輕載以及過載而造成電能的損耗。設計人員應根據建筑工程規模的不同、功能的不同以及對供電穩定性要求的不同來合理配置建筑電氣系統的變壓器設備，通過設計其經濟運行方式來達到降低減少損耗的目的。

2.4 變壓器功率因素的合理控制

造成變壓器損耗的一個重要影響因素就是功率因素，因此設計人員應采取有效提高功率因數措施來實現節能設計的目的。

2.4.1 自然功率因素提高的有效方式

當變壓器設備在輕載以及空載條件下運行時，其無功達到了約20%，嚴重影響了自然功率系數，因此設計人員應根據實際情況來提高變壓器設備選型的合理性，從而通過自然功率因數的提高來減少變壓器的損耗，從而改善其節能效果。

2.4.2 設置無功補償設備

同時設計人員也可以通過無功補償方式來提高功率因數，提高變壓器的節能效果。目前比較常用的無功補償方式主要包括就地補償、集中補償以及分散補償等方式[4]。在設計實踐中，對于與變壓器相距較近且比較集中需要進行大容量無功補償的，設計人員可以通過在前端變電所的低壓或高壓母線上設置補償裝置的方式來進行集中補償。對于與變電所相距較遠且分散部分的用電負荷則可以采用在終端設置補償裝置的方式來進行分散補償。而對于無功補償比較穩定且容量較大的用電負荷，設計人員應采取并聯補償裝置的方式來進行就地補償，以提高節能的效果。

2.5 抑制變壓器諧波的設計方法

建筑電氣系統中的變壓器損耗還會受到系統諧波問題的嚴重影響，因此設計人員可以通過抑制諧波的方式來使變壓器損耗降低。目前在建筑工程的節能設計中主要采取被動治理以及受端治理這兩種方式來抑制諧波，以達到變壓器節能的目的。對于受諧波影響明顯的變壓器設備可以采取受端治理措施來增強其諧波抗干擾能力。目前在建筑工程電氣系統中可以通過采用Dyn11方式來作為變壓器連接組別。由于Dyn11接線形式可以使諧波電流在其繞組內部形成環流，這樣就能夠有效防止變壓器兩側諧波電流產生耦合傳遞作用，實現了抑制諧波的目的。不過在設計中采用這種繞組接線方式時必須注意其在抑制諧波產生的同時會增加變壓器的諧波功率，因此需要采取相應的耐高溫措施。此外，設計人員也可以采用濾波器設備防止諧波進入電流系統，這樣也可以起到抑制諧波、降低變壓器損耗的效果。

3 結語

為了有效提高建筑電氣系統的節能效果，設計人員應根據建筑工程的實際情況以及電氣系統運行的具體要求來合理選擇變壓器設備的型號以及容量，并結合建筑功能特點來合理設計變壓器設備的運行方式。同時，設計人員還可以通過提高功率因素以及采用無功補償裝置等方式來減少變壓器的電力能源損耗。此外，對于變壓器所產生的諧波問題也可以根據情況采取被動和受端治理等方式來減少能耗，從而達到建筑電氣節能設計的目的。