某办公楼配电变压器选择及技术经济评价

陈 校

(北京市建筑设计研究院(集团)有限公司，北京100045)

1 引言

笔者负责某援外政府办公楼的电气设计工作，由于项目性质异常重要，当地节能考核指标严格，设计时还需考虑建筑物落成后的运营维护成本，因此，笔者对其变电室低压系统用电负荷进行了全面分析，并通过综合能效费用法(TOC方法)进行计算，比对了常用的SCB10干式变压器及SCBH15非晶合金变压器的经济评价指标，作为后续选择变压器的依据。

2 项目概况

2.1 电源情况及低压主接线

本项目设有一座22/0.4kV独立变电所。受援国负责将两路独立22kV中压外线埋地引入中压配电室内。变电所内设置2台干式变压器分列运行，正常运行时各带50%负荷，一路电源故障时，另一路带全部负荷。根据当地电力系统稳定情况及外方使用要求，设置2台常用功率为1 000kVA柴油发电机组并机作为备用电源，在市电故障时提供本项目全部负荷用电保障。

本项目所有消防设备、广播及会议系统、安防设备、应急疏散照明、办公区用电、电梯、弱电系统机房、转播电源、生活泵、污水泵为一级负荷，其中会堂及接见厅照明、电声、录像及计算机系统用电为一级负荷中特别重要负荷；空调用电为二级负荷；喷水池及景观照明为三级负荷。

本项目低压主接线方案示意图如图1所示。

图1 低压主接线方案

2.2 用电负荷统计及计算表

本工程总负荷容量为Pe=2 607kW，其中一级负荷为Pe=1 422kW,二级负荷为Pe=1 110kW，三级负荷为Pe=75kW，消防负荷为Pe=238.5kW。

负荷计算表如表1、表2和表3所示。

由表1、表2和表3可以看出，本工程拟选用2台1 600kVA变压器，1#变压器正常运行负荷率为45.6%，2#变压器正常运行负荷率为43.5%，1台变压器故障时，外方使用要求另1台变压器带本工程全部一、二、三级负荷进行计算，负荷率为94.6%。关于变压器容量选择是否合理，以及对于目前常用的SCB10环氧树脂浇注三相干式变压器及SCBH15低损耗非晶合金变压器到底选择哪一种，笔者将根据本项目实际情况，综合考虑变压器负荷率、价格、损耗、负荷特点、电价等技术经济因素进行能效评价，作为下一步设计依据。

表1 1#变压器正常运行时负荷计算表

表2 2#变压器正常运行时负荷计算表

3 配电变压器选择和技术经济评价

3.1 基本概念及公式

1)变压器的效率η

式中，P2为负载功率；ΔP为有功损耗(包含铁损与铜损)；cosφ为负载功率因数；β为负载率；SN为变压器额定容量；Po为变压器的空载损耗；PK为变压器的短路损耗。

为了求出最佳变压器负载率，利用高等数学的方法对上式求一次导数，并令其等于零。dη/dβ=0时，得出：

β2PKSNcosφ-POSNcosφ=0

求出不考虑变压器的无功损耗时，变压器运行效率最大时的有功经济负载率βmp，

(1)

变换此公式，得：

由上式不难看出，变压器的不变损耗(铁损)等于变动损耗(铜损)时，变压器的运行效率最高。

2)根据《电力变压器经济运行》(GB/T 13462-2008)关于变压器经济运行区确定方法的相关要求，变压器运行在经济运行区下限(即大马拉小车)时的临界负载率βLp为：

(2)

3)综合能效费用法(TOC方法)

对配电变压器进行能效经济评价，可采用综合考虑其初始投资和在其经济使用期内将要支付的电能损耗费用的综合能效费用法(TOC方法)。

配电变压器综合能效费用的计算表达式为:

TOCefc=CI+Poefc+Pkefc=

CI+A(Po+KqQo)+B(Pk+KqQr)

Qo≈Sr(Io%)/100

Qr≈Sr(Uk%)/100

式中，CI为配电变压器初始费用，A(Po+KqQo)为变压器空载损耗的等效费用，B(Pk+KqQr)为变压器负载损耗的等效费用。A值除与变压器的寿命期和此期间利率等有关外，还与电价有关。B值除与前述A值的相关因素有关外，还与变压器所带负荷的负载特征有关。其计算公式如下：

表3 1台变压器故障时负荷计算表

A=kpv·(Ee·Hpy+Ec×12)

kpv={1-[1/(1+i)]n}/i

式中，CI为配电变压器初始费用，新建项目为设备价格(元)；Poefc为变压器空载损耗的等效费用，(元)；Pkefc为变压器负载损耗的等效费用，(元)；A为变压器寿命期间单位空载损耗的资本费用，(元/kW)；B为变压器寿命期间单位负载损耗的资本费用，(元/kW)；Po为变压器空载有功损耗(铁损)，(kW)；Kq为无功经济当量，一般取0.1kW/kVar，(kW/kVar)，；Qo为变压器空载时的无功损耗，(kVar)；Io%为变压器空载电流占额定电流的百分值，(%)；Sr为变压器的额定容量，(kVA)；Pk为变压器负载有功损耗，(kW)；Qr为变压器额定负荷时的无功损耗增量，(kVar)；Uk%为变压器阻抗电压占额定电压的百分值，(%)。kpv为贴现率为i、使用寿命为n年的限值系数；Ee为单位电度电费，(元/kWh)；本工程地处东南亚某市，其运行电费为0.118 4USD/h，约合人民币0.75元/h。Ec为单位容量电费，(元/kW·月)；Hpy为变压器年带电小时数，通常为8 760h；β0为变压器的初始负载率。本工程初始负载率依据负荷计算表内数据，取为46%；τ依据《工业与民用配电设计手册》选择，城市生活计算值为1 250h。

3.2 有功经济负载率比对

笔者依据某厂家提供的变压器技术参数进行分析，SCB10环氧树脂浇注三相干式变压器及SCBH15低损耗非晶合金变压器的有功经济负载率及临界负载率如表4和表5所示。

表4 SCB10环氧树脂浇注三相干式变压器技术参数及经济负载率

注：运行效率最高时有功经济负载率采用上文公式1计算，经济运行区下限时的临界负载率采用上文公式2计算。

表5 SCBH15低损耗非晶合金变压器技术参数及经济负载率

注：运行效率最高时有功经济负载率采用上文公式1计算，经济运行区下限时的临界负载率采用上文公式2计算。

由上述计算结果可见，容量1 600kVA的SCB10环氧树脂浇注三相干式变压器在有功经济负载率为46%时运行效率最高，其处于经济运行区下限时的临界负载率为21%。而容量1 600kVA的SCBH15低损耗非晶合金变压器在有功经济负载率为25%时运行效率最高，其处于经济运行区下限时的临界负载率为6%。

近年来各种系列低损耗电力变压器已得到广泛应用，在节省电能和运行费用方面，已取得显著的经济效果。目前变压器本身的额定效率已经很高，一般中小型变压器额定效率都在96%以上。但很多场合，出现了由于变压器的配置和运行不合理，致使变压器的实际运行效率并不高的问题。当变压器的负载率过低或过高时，变压器自身的总消耗在变压器总输入能量中所占的比例上升，导致实际运行效率下降。

受过去传统习惯的影响，很多设计师及审图人员在变压器选择和运行问题上尚存在一些误区，这导致在变压器实际应用中有不小的电能浪费的问题。例如变压器的最高效率出现在75%负载率左右，变压器负载率低于30%为大马拉小车等观点没有计算依据，且由上文可知，不同系列、不同参数的变压器有功经济负载率、临界负载率数值也不相同。因此，本工程设置的2台1 600kVA变压器，正常运行时负载率为43%～46%，故障运行时负载率为94.6%，选择尚合理。

3.3 综合能效费用法比对

根据上文介绍的综合能效费用法(TOC方法)，笔者以变压器使用寿命为10年及20年分别统计了变压器在其经济使用期内将要支付的电能损耗费用，并考虑了其初始投资，力图从经济角度更加科学地了解、评判变压器的节能效益。援外项目与国内项目有所差异，受援国在关注节能效果的同时，还非常关注长期承担大型设备的日常维护保养和定期大修的可行性及便利性。

由表6可知，按照本工程负荷计算表中正常运行时负载率为46%分析综合能效：非晶合金变压器在10年经济使用期内综合能效费用为1 159 274元，较常用的SCB10变压器高14%。在20年经济使用期内综合能效费用为1 251 557元，较常用的SCB10变压器高2.4%。

非晶合金变压器产品损耗低，节能效果显著，额定空载损耗仅为SCB10变压器的30%左右。

表6 变压器综合能效费用比较表

若忽略初投资不计，非晶合金变压器在10年经济使用期内运行费用较常用的SCB10变压器低7%，在20年经济使用期内运行费用较常用的SCB10变压器低17%。

带着上述理论比对结果，笔者到受援国进行考察。由于本项目地处东南亚，受援国大型配电产品主要从周边发达国家、我国云南等地采购，日常维护保养一般能够自行承担，但定期大修均要从上述国家维修站点派出专业技术人员。因此，大型设备选型时在维修便利性方面不存在优劣之差，选择非晶合金变压器不存在地区障碍。因此笔者认为，本工程在综合能效费用相差不多的情况下，宜优先选用节能产品，在节能降耗的同时满足使用方降低变压器运营成本的期望。

4 变压器经济运行与我国现行两部制电价的不协调

本工程后期运行费用构成比较简单，但将目光转向我国，推动变压器经济运行还略有难度。我国供电部门对大工业企业实行的电价制度为两部制电价，即将电价分成基本电价与电度电价两部，基本电价是按照工业企业的变压器容量或最大需用量作为计算电价的依据，由供电部门与用电部门签订合同，确定限额，每月固定收取，不以实际耗电数量为转移；电度电价，是按用电部门实际耗电度数计算的电价。

某文献曾以2台1 000kVA变压器为例，若以2台变压器经济运行为出发点，则2台变压器应并联运行。若以节约基本电费为出发点，则应停用其中一台变压器，仅用一台供电。经计算，采用经济运行方式虽然变压器年损耗电费可减少5 443.49元，但为此要多付出基本电费12万元。这两种运行方式下每年基本电费的差值与变压器电能损耗电费的差值相差过于悬殊，因此在这种情况下，更多用户会采用较小容量的变压器日常运行，以节约基本电费。这就客观导致了整个配电网络的损耗增加，国家大量的电能被浪费掉。因此，在我国顺利推广变压器经济运行，应先行解决现行的电价制度、国家节能指导思想和用户的实际供电三者之间的矛盾，将变压器容量选择的经济性和节能性统一起来[4]。

5 结束语

在能源短缺的时代，无论供配电系统或用电设备，都存在着巨大的节能潜力。作为年轻一代的电气设计师，应把合理设计供配电系统，选用节能产品，实现系统经济运行作为首要任务。节能降耗是设计师担负的社会责任，要具体落实在行动上。在选用节能产品要增加初始投资的尴尬局面下，就要求我们学会通过技术经济的相关知识进行科学论证，具体问题具体分析。

本文希望有助于设计人员进行变压器选型比对。由于时间紧张、水平有限，本文可能还存在着一些问题，有待于在今后的实践中进一步研究和完善。

[1] 中国航空工业规划设计研究院等编.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 姚福来，张艳芳等.电气节能控制方法与实践[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

[3] 注册电气工程师执业资格考试复习指导教材编委会. 注册电气工程师执业资格考试专业考试复习指导书.供配电专业[M].北京：中国电力出版社，2007.

[4] 向明华,谈变压器的经济运行与现行两部制电价的矛盾[J].节能，2000年(7).