建筑配電變壓器的節(jié)能研究

1.前言

國(guó)家發(fā)改委在“十一五”期間出臺(tái)的中長(zhǎng)期節(jié)能規(guī)劃中要求，新建建筑嚴(yán)格按照節(jié)能50%來設(shè)計(jì)，北京、天津等大城市率先按照65%設(shè)計(jì)。從整個(gè)建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)講，產(chǎn)品節(jié)能僅僅是建筑節(jié)能的一個(gè)方面，系統(tǒng)節(jié)能才是廣大建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中需加倍重視的一個(gè)課題。配電變壓器在電力系統(tǒng)中起到配電作用，它是建筑供配電系統(tǒng)中的主要電力設(shè)備。建筑配電變壓器一般具有容量小、運(yùn)行負(fù)載波動(dòng)大的特點(diǎn)，且長(zhǎng)時(shí)間處于輕載狀態(tài)，因此其電能損耗較大，約占建筑總能耗的10%。所以建筑配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行節(jié)電潛力大，它的節(jié)能也是建筑系統(tǒng)節(jié)能的重要組成部分。

2.建筑配電變壓器的損耗分析

建筑配電變壓器一般為雙繞組變壓器，其損耗主要分為有功功率損耗、無功功率損耗和綜合功率損耗三種。[1]

2.1 有功功率損耗

建筑配電變壓器在變配電過程中產(chǎn)生的有功功率損耗主要由空載損耗和負(fù)載損耗兩部分組成。空載損耗是變壓器鐵芯內(nèi)由勵(lì)磁電流引起磁通變化產(chǎn)生的固定損耗，簡(jiǎn)稱鐵耗。負(fù)載損耗是負(fù)載電流經(jīng)過繞組時(shí)所產(chǎn)生的可變損耗。建筑配電變壓器的有功功率損耗ΔP(kW)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算式是：

式中：P0為空載損耗；Pk為短路損耗；β為變壓器的平均負(fù)載系數(shù)。

由于在工作過程中，建筑配電變壓器所帶的負(fù)荷是波動(dòng)的，需要引入負(fù)載波動(dòng)系數(shù)KT，則有功功率損耗ΔP(kW)的動(dòng)態(tài)計(jì)算式是：

式中：KT為負(fù)載波動(dòng)系數(shù)。

2.2 無功功率損耗

建筑配電變壓器一般是通過電磁感應(yīng)來進(jìn)行變壓的，在工作過程中，這個(gè)感性的無功負(fù)載產(chǎn)生的無功功率消耗遠(yuǎn)大于有功功率損耗。建筑配電變壓器的無功功率消耗ΔQ(kvar)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算式為：

動(dòng)態(tài)計(jì)算式為：

2.3 綜合功率損耗

綜合功率損耗是指建筑配電變壓器自身的有功功率損耗和因其消耗無功功率而使供電電網(wǎng)增加的有功功率損耗之和。建筑配電變壓器綜合功率損耗的穩(wěn)態(tài)計(jì)算式為：

式中P0Z為空載綜合功率損耗，PkZ為額定負(fù)載綜合功率損耗。

動(dòng)態(tài)計(jì)算式為：

3.建筑配電變壓器的節(jié)能運(yùn)行方式

建筑配電變壓器的節(jié)能運(yùn)行的實(shí)質(zhì)就是變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。建筑配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就是在確保變壓器滿足正常使用功能、保證運(yùn)行安全的前提上，通過合理選擇變壓器的運(yùn)行方式、對(duì)變壓器的負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整、對(duì)多臺(tái)變壓器的運(yùn)行進(jìn)行負(fù)荷和位置的優(yōu)化組合、以及改善變壓器的運(yùn)行條件等措施，達(dá)到最大限度降低變壓器電能損耗的目的。下面對(duì)建筑配電變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式進(jìn)行分析。[2]

3.1 建筑配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的確定

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T13462—92A工礦企業(yè)電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行導(dǎo)則》中提出變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就是變壓器在額定負(fù)載條件下的運(yùn)行。因此，變壓器在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)中β的上限值定為l，下限值所對(duì)應(yīng)的損耗率則應(yīng)與額定負(fù)載損耗率相等。

變壓器綜合功率損耗率的計(jì)算式為：

變壓器在額定負(fù)載條件下（β=l）運(yùn)行時(shí)的綜合功率損耗率的計(jì)算式為：

變壓器在負(fù)載率為βJ2條件下運(yùn)行時(shí)的綜合功率損耗率ΔPJ2%的計(jì)算式為：

由 Δ PZ%= Δ PJ2% ，SNcosφ2＞ ＞ P0Z+PkZ，βJ2SNcosφ2＞＞P0Z+βJ22PkZ條件可得變壓器的負(fù)載系數(shù)在綜合功率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下的下限值為：

β= P/ P=β2J20ZkZJZ

3.2 建筑配電變壓器最佳運(yùn)行區(qū)的確定

建筑配電變壓器在最佳運(yùn)行區(qū)條件下，其綜合損耗率最小，運(yùn)行最節(jié)能。國(guó)標(biāo)《GB/T13462—92A工礦企業(yè)電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行導(dǎo)則》中規(guī)定了變壓器在最佳運(yùn)行區(qū)條件下的負(fù)載系數(shù)上限值為βz1=0.75。

由綜合功率損耗相等可得下式：

由此得出變壓器的運(yùn)行區(qū)間主要包括最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)和最差運(yùn)行區(qū)，即建筑配電變壓器綜合功率的運(yùn)行區(qū)間范圍是：最佳運(yùn)行區(qū)(1.333βJZ2＜β＜0.75，即優(yōu)選段)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)（βJZ2＜β＜l）和非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)（0＜β＜βJZ2，俗稱“大馬拉小車”）。

建筑配電變壓器的綜合功率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是綜合考慮有功電量和無功電量節(jié)約、綜合考慮供電電網(wǎng)節(jié)電和建筑系統(tǒng)節(jié)能的總體最佳節(jié)電運(yùn)行方式。

4.建筑配電變壓器的節(jié)能技術(shù)措施

建筑配電變壓器的節(jié)能是節(jié)約電能的重要部分，是實(shí)現(xiàn)建筑系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。在確定變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的前提下，對(duì)變壓器的節(jié)能技術(shù)措施上的研究也是非常必要的。下面是建筑配電變壓器的主要一些節(jié)能技術(shù)措施：

4.1 合理化分配多臺(tái)建筑配電變壓器的負(fù)載

建筑系統(tǒng)中配電變壓器一般由多臺(tái)組成，各變壓器分別承擔(dān)建筑總的用電負(fù)載。此時(shí)，建筑配電變壓器總的損耗則為各臺(tái)變壓器損耗之和。在總用電負(fù)載和變壓器的運(yùn)行方式不變的前提下，對(duì)各臺(tái)變壓器的負(fù)載分配進(jìn)行調(diào)整，變壓器總的有功損失和無功消耗也會(huì)相應(yīng)改變。因此，在變壓器額定負(fù)載下，對(duì)各變壓器間的負(fù)載進(jìn)行合理化的經(jīng)濟(jì)分配，可以使變壓器總的有功功率損失和無功功率消耗降到最低值。

4.2 選用新型節(jié)能的變壓器鐵芯材料

變壓器電磁感應(yīng)的磁路主要是通過鐵芯來實(shí)現(xiàn)的。鐵芯由于其材質(zhì)結(jié)構(gòu)的原因，在磁通交變時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁滯和渦流損耗。非晶態(tài)合金具有特殊的磁特性，利用它作為變壓器的鐵芯，與普通材料相比同容量的變壓器可降低75%～80%的損耗。相關(guān)人員在變壓器設(shè)計(jì)中，除選用優(yōu)質(zhì)的鐵芯材料外，還應(yīng)適當(dāng)增大鐵芯的有效截面積，選用較低的工作磁通密度。[3]

4.3 合理分配建筑配電變壓器的三相負(fù)荷

建筑配電變壓器的三相負(fù)荷應(yīng)合理分配，確保三相負(fù)荷平衡。當(dāng)變壓器的三相負(fù)荷不平衡，勢(shì)必會(huì)造成變壓器的三相電壓差過大，從而影響用電電壓質(zhì)量和供電電網(wǎng)的安全運(yùn)行。同時(shí)，變壓器的三相負(fù)荷不平衡將造成變壓器的磁路不平衡，由此產(chǎn)生的漏磁通流會(huì)使銅皮和鐵芯等嚴(yán)重發(fā)熱，形成雜散損耗。因此，應(yīng)采取相應(yīng)措施，合理分配建筑配電變壓器的三相負(fù)荷，保持其平衡。

4.4 選用新型節(jié)能的繞組導(dǎo)線

建筑配電變壓器的銅耗就是在運(yùn)行時(shí)繞組中產(chǎn)生的負(fù)載損耗。老式的變壓器的繞組大多采用鋁導(dǎo)線，由于電阻率高，同容量變壓器的鋁導(dǎo)線的截面積是銅導(dǎo)線的1.65倍。繞組導(dǎo)線的截面積增大了，從而加大了鐵芯的總體尺寸，負(fù)載損耗也相應(yīng)增加。而且鋁的機(jī)械強(qiáng)度差，當(dāng)變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，鋁制繞組由于承受不了太大的應(yīng)力，絕緣被破壞導(dǎo)致變壓器繞組的短路事故。因此，在進(jìn)行變壓器的繞組選材時(shí)，應(yīng)選用新型節(jié)能的繞組導(dǎo)線如銅線等。這樣，變壓器的銅損可以平均降低35%左右，達(dá)到節(jié)能效果。[4]

4.5 設(shè)計(jì)應(yīng)首選低損耗的節(jié)能變壓器

在進(jìn)行建筑配電設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理選擇變壓器容量，確保變壓器在接近最佳負(fù)載率的前提下運(yùn)行。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)首選低損耗的節(jié)能變壓器。當(dāng)需要多臺(tái)變壓器進(jìn)行供電時(shí)，既要均衡變壓器負(fù)荷，使其負(fù)載率相等，又要根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的需求，合理分配變壓器的運(yùn)行方式，從而使變壓器的負(fù)載損耗最小。[5]

5.總結(jié)

建筑配電變壓器是配電網(wǎng)中的主要配電設(shè)備，是各種建筑中應(yīng)用最廣泛的一種電力設(shè)備。由于建筑配電變壓器總的電能損耗約占整個(gè)建筑配電系統(tǒng)損失的30%左右，因此建筑配電變壓器的節(jié)能運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。通過對(duì)建筑配電變壓器的損耗和運(yùn)行方式的分析，確定變壓器的最佳運(yùn)行方式，同時(shí)采取必要的節(jié)能技術(shù)措施，將使建筑配電變壓器的損耗降到最低，從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的，為社會(huì)的節(jié)能工作作出貢獻(xiàn)，并帶來經(jīng)濟(jì)效益。