建筑电气设计中的变压器节能分析讨论

唐日强 张君义 王自鹏

（许继变压器有限公司，河南 许昌 461000）

建筑行业是传统的能源消耗型领域，而变压器不仅是建筑工程电气系统中的重要组成部分，同时也是产生能源损耗的关键环节之一，其在输配电系统中的电能损耗在总损耗量的占比能够达到40%～50%左右。所以必须采取有效的节能设计方法，根据建筑电气系统的实际情况，合理选择节能型变压器设备和容量，并通过优化变压器的运行方式、无功补偿以及抑制谐波等方式来减少变压器对电力能源的损耗，提高建筑电气系统的整体节能效果。

1 概述建筑工程电气系统中的变压器节能设计

建筑工程电气系统变压器节能设计的主要目的是在保证电气系统正常运行的基础上降低变压器的损耗。通常变压器能效包括静态能效以及动态能效两部分。其中静态能效主要是变压器设备在加工制造过程中通过新技术工艺和新材料的应用来使其固有损耗降低。而动态能效则主要指的是变压器设备运行中受相关动态参数因素的影响而产生的损耗[1]。目前在大多数建筑工程电气系统末端中广泛使用了容量较大的变压器（2 000 kVA容量级以上），电压等级10 kV的变压器设备，此类变压器设备在运行过程中会产生大量的电能损耗，因此是建筑电气节能设计中的重点环节。而变压器的节能效果也将直接关系到建筑工程整体电气系统节能设计水平，对建筑行业的可持续性发展也具有十分重要的意义。

2 建筑工程电气系统中的变压器节能设计分析

2.1 节能型变压器设备的合理选择

在建筑电气设计中，设计人员首先要根据电气系统内所有用电设备的实际需要来选择变压器的型号，以保证电能输出的质量和稳定性，在此基础上要尽量选择节能效果比较好的变压器设备。根据我国现行标准，S13以上型的变压器系列设备为节能型产品，其能效等级和能效限定值等指标参数均能够达到节能要求。在各种节能变压器设备中，超导变压器以及非晶合金型设备是目前节能效果比较理想的变压器产品。所谓非晶合金也就是高温钢水在极短时间内迅速降温后，其原子在急速固化作用下而产生的无序排列，从而形成了非晶态合金材料，这种材料由于结构特殊，因此其软磁特性十分突出，而利用非晶合金材料生产的变压器设备能够有效减少对电能的损耗[2]。与传统变压器相比，非晶合金变压器的空载损耗能够降低60%～80%左右，节能效果十分明显。不过由于非晶合金设备的生产成本较高，因此在实际设计中必须充分考虑其价格因素和经济性。设计人员应综合分析其在全寿命周期的购置成本、运行成本以及节能效果等因素，并结合建筑工程的具体情况来合理选择相应的变压器设备，以实现节能设计的目的。

2.2 变压器容量的合理选择

设计人员应根据建筑工程中电气系统的实际荷载以及等级来合理选择变压器设备的台数和容量，并在保证满足所有用电负载正常运行的基础上，提高容量设计的经济性。在设计实践中，如果建筑工程的电气系统主要为三级负荷时，设计人员可以只配置1台变压器设备；如果建筑电气系统的负荷达到了2级以上时，则应配置2台以上的变压器设备[3]。同时设计人员还要根据建筑功能来合理区分生活区负荷以及动力负荷，以确保其运行的稳定性。如果建筑电气系统中存在不同计量等级负荷时，则应分别设计相应的变压器设备。此外，当用电内负荷需要远距离输电或者负荷为关键节点时，设计人员则应采取专门设置具有一定独立性的变压器设备的方式来确保其供电的稳定性。当变压器台数确定后，设计人员还应通过TOC等先进的算法来对变压器设备的具体经济容量进行计算分析，从而减少变压器的空载损耗，实现变压器节能设计的目的。

2.3 优化变压器的运行方式

通常在建筑电气设计中为了保证电力系统的运行安全会在变压器容量选择中留出安全余量，这使得在变压器普遍存在容量偏大的情况。同时建筑电气系统的用电会存在峰谷波动的现象，因此在设计中要优化变压器的运行方式，防止变压器由于轻载以及过载而造成电能的损耗。设计人员应根据建筑工程规模的不同、功能的不同以及对供电稳定性要求的不同来合理配置建筑电气系统的变压器设备，通过设计其经济运行方式来达到降低减少损耗的目的。

2.4 变压器功率因素的合理控制

造成变压器损耗的一个重要影响因素就是功率因素，因此设计人员应采取有效提高功率因数措施来实现节能设计的目的。

2.4.1 自然功率因素提高的有效方式

当变压器设备在轻载以及空载条件下运行时，其无功达到了约20%，严重影响了自然功率系数，因此设计人员应根据实际情况来提高变压器设备选型的合理性，从而通过自然功率因数的提高来减少变压器的损耗，从而改善其节能效果。

2.4.2 设置无功补偿设备

同时设计人员也可以通过无功补偿方式来提高功率因数，提高变压器的节能效果。目前比较常用的无功补偿方式主要包括就地补偿、集中补偿以及分散补偿等方式[4]。在设计实践中，对于与变压器相距较近且比较集中需要进行大容量无功补偿的，设计人员可以通过在前端变电所的低压或高压母线上设置补偿装置的方式来进行集中补偿。对于与变电所相距较远且分散部分的用电负荷则可以采用在终端设置补偿装置的方式来进行分散补偿。而对于无功补偿比较稳定且容量较大的用电负荷，设计人员应采取并联补偿装置的方式来进行就地补偿，以提高节能的效果。

2.5 抑制变压器谐波的设计方法

建筑电气系统中的变压器损耗还会受到系统谐波问题的严重影响，因此设计人员可以通过抑制谐波的方式来使变压器损耗降低。目前在建筑工程的节能设计中主要采取被动治理以及受端治理这两种方式来抑制谐波，以达到变压器节能的目的。对于受谐波影响明显的变压器设备可以采取受端治理措施来增强其谐波抗干扰能力。目前在建筑工程电气系统中可以通过采用Dyn11方式来作为变压器连接组别。由于Dyn11接线形式可以使谐波电流在其绕组内部形成环流，这样就能够有效防止变压器两侧谐波电流产生耦合传递作用，实现了抑制谐波的目的。不过在设计中采用这种绕组接线方式时必须注意其在抑制谐波产生的同时会增加变压器的谐波功率，因此需要采取相应的耐高温措施。此外，设计人员也可以采用滤波器设备防止谐波进入电流系统，这样也可以起到抑制谐波、降低变压器损耗的效果。

3 结语

为了有效提高建筑电气系统的节能效果，设计人员应根据建筑工程的实际情况以及电气系统运行的具体要求来合理选择变压器设备的型号以及容量，并结合建筑功能特点来合理设计变压器设备的运行方式。同时，设计人员还可以通过提高功率因素以及采用无功补偿装置等方式来减少变压器的电力能源损耗。此外，对于变压器所产生的谐波问题也可以根据情况采取被动和受端治理等方式来减少能耗，从而达到建筑电气节能设计的目的。