基于建筑分項計量數據的變壓器運行狀況分析和對策

秦宏波 金 儉.上海市能效中心 .上海延華智能科技（集團）股份有限公司

基于建筑分項計量數據的變壓器運行狀況分析和對策

秦宏波1金 儉2
1.上海市能效中心 2.上海延華智能科技（集團）股份有限公司

選取上海地區實施分項計量的250余棟大型公共建筑中的1 000臺實際運行的配電變壓器，對其主要參數及其2016年全年實際運行數據進行了初步分析，結合變壓器經濟運行相關標準、規范及論文著作等參考資料，統計了大型公共建筑建筑內配電變壓器的配置情況；對變壓器運行的負載率、三相平衡情況以及功率因數進行的分析，總結了在大型公建中變壓器運行現狀的問題并提出幾點建議。

分項計量 配電變壓器 負載率

1 公共建筑中配電變壓器配置調查

1.1 建筑體量與變壓器數量的關系

一般而言，建筑體量（按建筑面積計）越大，業態型式越多，響應的用電越復雜、容量越大，故變壓器配置數量也應越多，通過數據統計發現上海地區的公共建筑由于要求是電力雙進線，所以至少配置2臺變壓器，具體說明如下。

（1）中小型建筑（5萬m2以下）的變壓器配置數量大都在2～4臺；

（2）50%的稍大型建筑（5～10萬m2）配置4臺設備，其余數量較不統一；

（3）而超大型建筑（10萬m2以上）一般會配置8臺或以上變壓器；

（4）對于35 kV進線的建筑，一般會配置2臺35/10kV大容量變壓器。

1.2 建筑體量與裝機容量的關系

（1）2萬m2以下建筑的裝機容量一般均小于4000kVA；

（2）2～5萬m2建筑裝機容量一般都在6000kVA以下，根據建筑功能業態不同，區別較大，學校辦公類建筑較小，商場酒店類相對較大；

（3）超過2/3的5～10萬m2建筑的變壓器容量在4000～10000kVA之間；

（4）而超大型建筑一般會配置10 000 kVA以上的總容量，且數量超過8臺。

1.3 變壓器容量規格的分布

根據配電變壓器容量規格，統計樣本中的設備數量，發現如圖1。

圖1 電變壓器容量規格搭配配置

（1）建筑最多選用的變壓器容量在1000～2000kVA之間，占比約為80%，包括1000、1250、1600、2000kVA 4種容量規格；

（2）對于配置2臺變壓器的建筑（即每條電力進線1臺），現實中更多選用1臺稍大容量變壓器而不是多臺稍小容量的，比如配置1臺2000kVA，而不是2臺1000kVA或者1臺 1250kVA+1臺800kVA；

（3）對于配置4臺及以上變壓器的建筑，50%以上的建筑會選用同容量變壓器，而不是大小容量設備搭配配置。

1.4 變壓器臺數與容量選擇原則

變壓器容量的選擇是一個全面、綜合性的技術問題，沒有一個簡單的公式可以概括。變壓器容量的選擇組合應考慮多種因素：

（1）初期建設成本與長期運行成本的平衡；

（2）配電房場所的空間條件；

（3）單臺設備供電半徑的約束；

（4）末端用電負載集中度的約束；

（5）末端單臺大功率設備的額定用電需求；

（6）對將來用電變更的靈活度等。

所以選配何種型號的變壓器及其組合，是一個綜合比較后的結果，要結合建筑實際情況；同時，變壓器配置方案一旦確定，未來不易調整，所以需要慎重決策。

變壓器配置方案中，對于變壓器容量的配置是關鍵的一項內容。那么針對目標建筑所需用電容量的估算主要有以下3種方法。

（1）利用負荷計算法估算，現在最常用的方法；

（2）利用最經濟運行效果法估算；

（3）按年電能損耗最小法選擇變壓器。

從長期運行成本來看，如果有季節性負荷的話，最好用兩臺稍小容量變壓器組合的方案。當季節性負荷不用時，可向供電公司季節性報停一臺，可以節省可觀的基礎電費并減少電力損耗。

2 公共建筑變壓器的運行參數分析

2.1 變壓器理論最佳運行負載

根據《GB/T 3485 評價企業合理用電技術導則》中要求：調整企業用電設備的工作狀態，合理分配與平衡負荷，使企業用電均衡化，提高企業負荷率。根據不同的用電情況，企業日負荷率應不低于以下標準。

（1)連續性生產——95%；

（2)三班制生產——85%；

（3)二班制生產——60%；

（4)一班制生產——30%。

雖然該標準是針對生產性企業，公共建筑亦可作為參考。

變壓器經濟運行主要指在滿足供電需求的基礎上，綜合損耗最小下的變壓器負載運行方式。根據《GBT13462-2008電力變壓器經濟運行》標準要求，變壓器綜合損耗最小的負載區間一般在40%～75%。

2.1.1 實際運行負載統計——全時段

對所有監測建筑近1 000臺配電變壓器在2016年全年（包含了制冷采暖和過渡三季）全時段實際運行負載進行統計。

圖2 最大負載率分布圖/%

圖2 顯示，監測中所有變壓器最大負載率不超過40%的數量占比33%。

40%是電力公司根據二部制電價規則按需量收取基本電費的下限，暨參照裝機容量，實際使用負荷不到契約容量40%的用戶也需按40%的契約需量作為計價數量繳納基本電費。上海基本電費為42元/kW月。通過查閱約200棟大型公共建筑這幾年數千張實際電費賬單來看，幾乎所有建筑用戶存在月需量不足容量的40%，累積下來繳納的“冤枉錢”達數千萬元。

圖3 平均負載率分布圖/%

圖3 顯示，平均負載率低于30%的變壓器數量占比85.8%，而符合經濟運行區間（40%～75%）不到3%。

2.1.2 實際運行負載統計——全年營業時段

由于功能業態要求，很多建筑并不是每天全時段營業，所以上一節的全時段統計并不能完全反映建筑用電現狀。以下統計根據建筑功能業態不同的營業時間，即正常用電時間，例如商務辦公、政府機關選擇工作日，每天7:00～20:00；商場選擇每天8:00～22:00；酒店、醫院等選擇全天24h等。在上述時間內抽取數據再對變壓器實際運行負載進行統計，結果如下。

（1）營業時間段內，2016年前10個月最大負載率不超過40%的變壓器數量占比32.6%。

（2）營業時間段內，平均負載率低于30%的變壓器數量占比81.5%，符合經濟運行區間（40%～75%）4.2%。

從數據上看，與全時段統計值稍有改善，但差異不大，說明即使在建筑的營業時間內，變壓器負載率總體水平還是過低。

2.1.3 實際運行負載統計——7月份營業時段

進一步選取所有建筑7月份（2016年氣溫最高的月份，也是平臺數據顯示建筑實際能耗最高的月份），仍然只統計營業時間內的數據，再進行實際運行負載進行統計，結果如下。

（1）最大負載率不超過40%的變壓器數量上升為39%，說明部分建筑變壓器的最高負荷不是發生在7月份內。

（2）關鍵來看平均負載率，平均負載率低于30%的變壓器占比下降到58.1%，符合經濟運行區間（40%～75%）上升到13.6%；

就是說即便在用電最高峰時間段，也有近一半的建筑容量配置仍然大于實際最大負荷需求的一倍還多，而且負荷率水平也是比較低的（即負荷波動較大）。

2.1.4 公共建筑中變壓器運行負載分析小結

通過上述對樣本數據分析可見，大型公共建筑中普遍存在變壓器裝機總容量過大現象，且運行中沒有采用彈性調整措施。“低負載率、低負荷率”這一現象導致投資過度、設備運行效率不高、電力損耗上升、電費支出偏高等問題。

變壓器容量合理選擇應考慮以下兩點基本原則。

（1）變壓器額定容量應滿足近幾年內最大實際負荷的需要；

（2）日常運行時，盡量將變壓器負載運行在經濟區間內。

對于難以同時符合兩個原則的負荷，可采取設置兩臺或多臺變壓器并列運行，或采用一大一小容量的“子母變”輪換供電方式，或改用“調容變”設備等；總之，使運行中的變壓器能經常處于經濟運行狀態，以達到節能節費、延長設備壽命的目的。

2.2 變壓器電壓電流平衡統計

變壓器的運行效率和安全指標除了負載率之外，還有其他運行參數也值得關注。對所有監測建筑的配電變壓器三相電壓不平衡、三相電流不平衡的數據分析后，發現如下。

（1）三相電壓不平衡的控制情況良好，根據規范要求不平衡率小于2%的變壓器占比有98%，也有極少數超過了4%的警戒上限值。

（2）另外，供電電壓合格率也非常高，一般都在99.8%以上。

（3）然而，三相電流不平衡現象比較嚴重，超過1/3的變壓器電流不平衡率超過了15%。

（4）在建筑營業時間段各常用設備開啟時，三相電流不平衡率可以維持在10%以內；但在非營業時段會突破限值。

三相不平衡會導致變壓器損耗過高；零序電流過大，會引起導線和設備發熱甚至引起安全事故，對于安全用電和經濟用電都有損害。導致三相電流不平的主要原因是初始配電設計與實際使用不匹配，或后期變更卻未做相應調整，建筑運行人員應實時了解三相平衡數據，發現問題后及時調整各支路負荷分配。

另外，對于系統監測而言，如果在現有電力參數監測的基礎上，能再加上對變壓器內部溫升的數據監測，會更加有利于變壓器安全運行管理。

2.3 變壓器功率因數統計

調查發現絕大多數的公共建筑內都配備了自動投切的無功補償柜，所以大型公建內的功率因數控制情況總體良好。

（1）53.78%的變壓器功率因數大于95%，安裝上海市電價政策即可享受電費減免1.1%的最高限，按年電費1 000萬元計，保持每個月的功率因數指標均大于95%，此項即可節省電費10萬余元；

（2）仍有10%的設備功率因數發生過小于85%的月份，建筑用戶會為此遭受懲罰性電費。

無功補償是非常成熟的技術，公共建筑配電要求配置自動/手動補償柜，但是實際現場發現少數設備有配備，但已失效，建議及時修復。

3 結論與建議

3.1 變壓器運行現狀問題總結

借助分項計量，以監測建筑為樣本，對上海地區大型公共建筑內的配電變壓器選配及實際運行數據進行分析，得出如下結論。

（1）大型公共建筑變壓器容量配置普遍存在“大馬拉小車”現象，同時配置方案調節靈活性不高。直接的不利因素是設備初始投資和后期運行費用都偏高。

（2）大型公共建筑變壓器實際運行負載率偏低，且只有少數建筑運營管理者采取季節性報停等運營管理措施，導致變壓器長時間處于非經濟運行工況下，設備使用效率不高。

（3）對應電價政策，高容量、低負載的現象導致建筑用戶用電成本上升。

（4）變壓器三相電流不平衡現象比較嚴重，設備損耗上升，存在安全隱患。

3.2 改進優化建議

基于上述普遍存在的變壓器運行問題，對既有建筑而言鑒于已掌握的設備運行數據基礎上，可以采取的針對性措施如下。

（1）調整優化二級配電，確保變壓器負荷的平穩，保證每臺變壓器長期處于經濟運行區間；

（2）實時掌握變壓器各相負荷分配及其實際負荷數據，保證三相供電平衡，發生業務或設備調整時，及時測量與調整；

（3）保證無功補償裝置的有效性，盡量做到功率因數95%以上；

（4）季節變換或業務重大調整時，做好用電負荷的預測算，合理增減容、季節性報停、每月需量申報與運行監控等運行管理工作；

（5）如果具備經濟和技術可行性，不排除變壓器設備改造或替代。具體測算參照《DL/T 配電變壓器能效技術經濟評價導則》進行。

對于新建建筑，在規劃、設計與建設階段時，應做好以下幾點。

（1）請設計院和施工單位配合建筑開發商做好用電負荷的合理規劃和預測算，綜合項目現場實際的各項約束條件和需求，平衡初期投資與長期運行費用，配備適宜的變壓器型號、裝機容量，控制冗余幅度；

（2）對季節性大用電負荷配置專用變壓器供電，以便適時切除報停變壓器；

（3）場地允許條件下，盡量采取“子母變壓器組合配置方案”或選用可調容變壓器，提高后期運行的調配靈活性。

INFORMATION AND DYNAMIC

節能信息與動態

黃浦區部署2017年能源審計工作

根據黃浦區2017年節能減排工作計劃，今年將對15家單位進行能源審計。為推進能源審計工作，8月4日，區節能辦組織召開2017年能源審計工作布置會，領展企業廣場、上海避風塘美食有限公司等被審計單位相關負責人參加會議。

會上，區節能辦介紹了能源審計工作的意義和今年實施計劃，第三方審計單位介紹了能源審計的內容和需要單位配合事項。被審計單位表示能源審計工作有助于降低企業用能成本，挖掘節能潛力，將積極配合做好相關工作。

（區發改委）

Analysis and Countermeasures of Transformer Operation Condition Based on Building Sub-metering Data

Qin Hongbo, Jin Jian
Shanghai Energy Efficiency Center
Shanghai Yanhua Smart Tech (Group) Co.,Ltd

The article chooses 1000 transformers at 250 public buildings in Shanghai and analyzes practical operation data in 2016 and main parameters combined with transformer economic operation standard, regulation and articles as reference materials. The author calculates setup condition of distribution transformers at large public buildings and analyzes load rate, three phases balance and power factor of transformers and puts forward some suggestions and concludes current operation conditions of transformers at large public buildings.

Sub-Metering, Distribution Transformers, Load Rate

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.007