建筑配电变压器的节能研究

1.前言

国家发改委在“十一五”期间出台的中长期节能规划中要求，新建建筑严格按照节能50%来设计，北京、天津等大城市率先按照65%设计。从整个建筑系统的设计讲，产品节能仅仅是建筑节能的一个方面，系统节能才是广大建筑设计师在设计过程中需加倍重视的一个课题。配电变压器在电力系统中起到配电作用，它是建筑供配电系统中的主要电力设备。建筑配电变压器一般具有容量小、运行负载波动大的特点，且长时间处于轻载状态，因此其电能损耗较大，约占建筑总能耗的10%。所以建筑配电变压器的经济运行节电潜力大，它的节能也是建筑系统节能的重要组成部分。

2.建筑配电变压器的损耗分析

建筑配电变压器一般为双绕组变压器，其损耗主要分为有功功率损耗、无功功率损耗和综合功率损耗三种。[1]

2.1 有功功率损耗

建筑配电变压器在变配电过程中产生的有功功率损耗主要由空载损耗和负载损耗两部分组成。空载损耗是变压器铁芯内由励磁电流引起磁通变化产生的固定损耗，简称铁耗。负载损耗是负载电流经过绕组时所产生的可变损耗。建筑配电变压器的有功功率损耗ΔP(kW)的稳态计算式是：

式中：P0为空载损耗；Pk为短路损耗；β为变压器的平均负载系数。

由于在工作过程中，建筑配电变压器所带的负荷是波动的，需要引入负载波动系数KT，则有功功率损耗ΔP(kW)的动态计算式是：

式中：KT为负载波动系数。

2.2 无功功率损耗

建筑配电变压器一般是通过电磁感应来进行变压的，在工作过程中，这个感性的无功负载产生的无功功率消耗远大于有功功率损耗。建筑配电变压器的无功功率消耗ΔQ(kvar)的稳态计算式为：

动态计算式为：

2.3 综合功率损耗

综合功率损耗是指建筑配电变压器自身的有功功率损耗和因其消耗无功功率而使供电电网增加的有功功率损耗之和。建筑配电变压器综合功率损耗的稳态计算式为：

式中P0Z为空载综合功率损耗，PkZ为额定负载综合功率损耗。

动态计算式为：

3.建筑配电变压器的节能运行方式

建筑配电变压器的节能运行的实质就是变压器的经济运行。建筑配电变压器的经济运行就是在确保变压器满足正常使用功能、保证运行安全的前提上，通过合理选择变压器的运行方式、对变压器的负荷曲线进行优化调整、对多台变压器的运行进行负荷和位置的优化组合、以及改善变压器的运行条件等措施，达到最大限度降低变压器电能损耗的目的。下面对建筑配电变压器综合功率经济运行方式进行分析。[2]

3.1 建筑配电变压器经济运行区的确定

国家标准《GB/T13462—92A工矿企业电力变压器经济运行导则》中提出变压器的经济运行就是变压器在额定负载条件下的运行。因此，变压器在经济运行区中β的上限值定为l，下限值所对应的损耗率则应与额定负载损耗率相等。

变压器综合功率损耗率的计算式为：

变压器在额定负载条件下（β=l）运行时的综合功率损耗率的计算式为：

变压器在负载率为βJ2条件下运行时的综合功率损耗率ΔPJ2%的计算式为：

由 Δ PZ%= Δ PJ2% ，SNcosφ2＞ ＞ P0Z+PkZ，βJ2SNcosφ2＞＞P0Z+βJ22PkZ条件可得变压器的负载系数在综合功率经济运行条件下的下限值为：

β= P/ P=β2J20ZkZJZ

3.2 建筑配电变压器最佳运行区的确定

建筑配电变压器在最佳运行区条件下，其综合损耗率最小，运行最节能。国标《GB/T13462—92A工矿企业电力变压器经济运行导则》中规定了变压器在最佳运行区条件下的负载系数上限值为βz1=0.75。

由综合功率损耗相等可得下式：

由此得出变压器的运行区间主要包括最佳经济运行区、经济运行区和最差运行区，即建筑配电变压器综合功率的运行区间范围是：最佳运行区(1.333βJZ2＜β＜0.75，即优选段)、经济运行区（βJZ2＜β＜l）和非经济运行区（0＜β＜βJZ2，俗称“大马拉小车”）。

建筑配电变压器的综合功率经济运行是综合考虑有功电量和无功电量节约、综合考虑供电电网节电和建筑系统节能的总体最佳节电运行方式。

4.建筑配电变压器的节能技术措施

建筑配电变压器的节能是节约电能的重要部分，是实现建筑系统节能的重要环节。在确定变压器经济运行模式的前提下，对变压器的节能技术措施上的研究也是非常必要的。下面是建筑配电变压器的主要一些节能技术措施：

4.1 合理化分配多台建筑配电变压器的负载

建筑系统中配电变压器一般由多台组成，各变压器分别承担建筑总的用电负载。此时，建筑配电变压器总的损耗则为各台变压器损耗之和。在总用电负载和变压器的运行方式不变的前提下，对各台变压器的负载分配进行调整，变压器总的有功损失和无功消耗也会相应改变。因此，在变压器额定负载下，对各变压器间的负载进行合理化的经济分配，可以使变压器总的有功功率损失和无功功率消耗降到最低值。

4.2 选用新型节能的变压器铁芯材料

变压器电磁感应的磁路主要是通过铁芯来实现的。铁芯由于其材质结构的原因，在磁通交变时会产生磁滞和涡流损耗。非晶态合金具有特殊的磁特性，利用它作为变压器的铁芯，与普通材料相比同容量的变压器可降低75%～80%的损耗。相关人员在变压器设计中，除选用优质的铁芯材料外，还应适当增大铁芯的有效截面积，选用较低的工作磁通密度。[3]

4.3 合理分配建筑配电变压器的三相负荷

建筑配电变压器的三相负荷应合理分配，确保三相负荷平衡。当变压器的三相负荷不平衡，势必会造成变压器的三相电压差过大，从而影响用电电压质量和供电电网的安全运行。同时，变压器的三相负荷不平衡将造成变压器的磁路不平衡，由此产生的漏磁通流会使铜皮和铁芯等严重发热，形成杂散损耗。因此，应采取相应措施，合理分配建筑配电变压器的三相负荷，保持其平衡。

4.4 选用新型节能的绕组导线

建筑配电变压器的铜耗就是在运行时绕组中产生的负载损耗。老式的变压器的绕组大多采用铝导线，由于电阻率高，同容量变压器的铝导线的截面积是铜导线的1.65倍。绕组导线的截面积增大了，从而加大了铁芯的总体尺寸，负载损耗也相应增加。而且铝的机械强度差，当变压器发生短路故障时，铝制绕组由于承受不了太大的应力，绝缘被破坏导致变压器绕组的短路事故。因此，在进行变压器的绕组选材时，应选用新型节能的绕组导线如铜线等。这样，变压器的铜损可以平均降低35%左右，达到节能效果。[4]

4.5 设计应首选低损耗的节能变压器

在进行建筑配电设计时，应合理选择变压器容量，确保变压器在接近最佳负载率的前提下运行。在设计阶段，应首选低损耗的节能变压器。当需要多台变压器进行供电时，既要均衡变压器负荷，使其负载率相等，又要根据实际负荷的需求，合理分配变压器的运行方式，从而使变压器的负载损耗最小。[5]

5.总结

建筑配电变压器是配电网中的主要配电设备，是各种建筑中应用最广泛的一种电力设备。由于建筑配电变压器总的电能损耗约占整个建筑配电系统损失的30%左右，因此建筑配电变压器的节能运行是实现建筑节能的重要环节。通过对建筑配电变压器的损耗和运行方式的分析，确定变压器的最佳运行方式，同时采取必要的节能技术措施，将使建筑配电变压器的损耗降到最低，从而达到建筑节能的目的，为社会的节能工作作出贡献，并带来经济效益。