民用智能建筑電氣設(shè)計中的變壓器節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用

閆峰

（黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，哈爾濱 150080）

0 引言

變壓器是民用智能建筑電氣系統(tǒng)中重要的組成部分，同時也是控制能源損耗的關(guān)鍵設(shè)備，其在民用智能建筑電氣系統(tǒng)總損耗量中的占比達到40%～50%[1]。所以在民用以及其他智能建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計中采取有效的節(jié)能設(shè)計方法，可極大的減少能源的使用損耗。根據(jù)實際使用情況，選擇合理的節(jié)能型變壓器系統(tǒng)控制設(shè)備，通過不斷完善民用節(jié)能變壓器的系統(tǒng)設(shè)備運行、變壓器電能容量管理、無功補償以及有效的的抑制電源輸出諧波等多種控制方式，可以有效的的減少節(jié)能變壓器對民用建筑智能電力系統(tǒng)的巨大使用損耗，達到民用智能建筑節(jié)能系控制效果。

1 民用智能建筑電氣設(shè)計節(jié)能設(shè)計的三大原則

1.1 適應(yīng)性節(jié)能設(shè)計原則

一般來說，電氣系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計原則是指建筑節(jié)能電氣設(shè)計工作中，應(yīng)當(dāng)以整個建筑內(nèi)部的實際供電功能為設(shè)計基礎(chǔ)，以保障建筑其他工程設(shè)計任務(wù)的順利進行[2]。利用既有建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)上，再加強建筑節(jié)能電氣的設(shè)計。既要確保建筑物整體用電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，也要保證電氣系統(tǒng)的供電功能運行使用正常。因此在進行民用智能建筑節(jié)能電氣設(shè)計中，要從實際情況出發(fā)，結(jié)合具體功能需求，保證整個工程安全不受任何負面影響，再進行節(jié)能電氣設(shè)計。

1.2 節(jié)約型節(jié)能設(shè)計原則

隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長，以及各行各業(yè)的健康有序發(fā)展，我們應(yīng)該深入踐行國家綠色經(jīng)濟發(fā)展和推動經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展兩大基本理念。在確保新型建筑行業(yè)健康有序發(fā)展和施工需求得到滿足同時，也必須提出要注重新型建筑節(jié)能減排降耗。對此，建筑工程節(jié)能解決方案設(shè)計的主要研究目的是減少不必要的建筑能源消耗。在保留新型建筑行業(yè)原有施工基本功能的設(shè)計基礎(chǔ)上，盡量減少施工設(shè)備能耗。通過合理的設(shè)計方案優(yōu)化，運用節(jié)能降耗手段，減少過度的能源消耗浪費。

1.3 先進性節(jié)能設(shè)計原則

在建筑節(jié)能工程設(shè)計中，要充分發(fā)揮科學(xué)信息技術(shù)的綜合優(yōu)勢，不斷學(xué)習(xí)新的先進技術(shù)，提高企業(yè)節(jié)能建筑設(shè)計的科學(xué)可行性和技術(shù)先進性。同時，在實際經(jīng)濟運行中，仍然還需及時制定一套科學(xué)合理的政策措施，以提高節(jié)能建筑設(shè)計的實際效果。

2 民用智能建筑工程電氣系統(tǒng)中的變壓器節(jié)能設(shè)計

民用智能建筑中電氣系統(tǒng)設(shè)計及變壓器節(jié)能減耗是設(shè)計的重點工作，在確保電氣系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上，盡量減少系統(tǒng)變壓器的固有損失。一般情況下，變壓器設(shè)備損耗主要分為系統(tǒng)靜態(tài)損耗和系統(tǒng)動態(tài)損耗兩個部分。其中靜態(tài)損耗主要是在變壓器電氣設(shè)備在機械加工制造的過程中，通過采用新工藝和新材料的方法，使其固有器件損耗得到降低。而動態(tài)損耗所指則是在保證變壓器電氣設(shè)備正常運行中，由于受系統(tǒng)相關(guān)器件動態(tài)電壓參數(shù)等因素的變動影響而直接產(chǎn)生的損耗。

目前在絕大多數(shù)的民用智能建筑電氣系統(tǒng)設(shè)備末端中，廣泛使用10kV/380V規(guī)格為800～2000kVA的變壓器，而此類變壓器的損耗較大，因此民用智能建筑工程電氣末端系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計是一個重點技術(shù)環(huán)節(jié)。而變壓器的末端節(jié)能設(shè)計效果也將直接關(guān)系到整體民用智能建筑工程電氣系統(tǒng)設(shè)計的節(jié)能技術(shù)水平。

3 民用智能建筑工程電氣系統(tǒng)中的變壓器節(jié)能設(shè)計

3.1 節(jié)能型變壓器設(shè)備的合理選擇

在民用智能建筑物的電氣系統(tǒng)設(shè)計中，要根據(jù)實際情況，對變壓器的型號進行合理選擇，以確保整個電氣系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。在此基礎(chǔ)上要盡量多地選擇一些節(jié)能環(huán)保效果較好的變壓器設(shè)備[3]。根據(jù)我國目前的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，S13及以上的智能變壓器設(shè)備系列為節(jié)能型系列，其電氣能效強度等級和電氣能效強度限值等各項指標(biāo)、參數(shù)、性能均能達到國家節(jié)能技術(shù)要求見表2。在各類型節(jié)能環(huán)保變壓器生產(chǎn)設(shè)備中，超導(dǎo)節(jié)能變壓器以及各種非晶態(tài)等合金型號的設(shè)備是目前節(jié)能環(huán)保效果較理想的節(jié)能變壓器設(shè)備。非晶體的合金材料，是指高溫鋼水在極短距離內(nèi)的急劇溶解降溫后，其金屬分子之間結(jié)構(gòu)在固化劑的影響作用下迅速溶解后形成的無序電子排列，最后產(chǎn)生一個非晶體的的合金材料，該材料因為整體構(gòu)造獨特，其軟磁性的特點尤為明顯，使用這種材料進行加工制造的設(shè)備，能夠有效率地減少整體電能的直接損耗見表1。與其他傳統(tǒng)合金變壓器相比，非晶硅鋁合金變壓器的最大空載功率損耗一般能降低60%～80%左右，節(jié)能利用效果十分明顯[4]。但由于非晶硅鋁合金材料設(shè)備的生產(chǎn)成本相對較高，因此在實際工程設(shè)計中必須充分考慮其產(chǎn)品價格因素和使用經(jīng)濟性。專業(yè)設(shè)計技術(shù)人員應(yīng)綜合考慮分析其在全產(chǎn)品壽命使用周期的生產(chǎn)購置設(shè)備成本、運行維護成本以及設(shè)備節(jié)能利用效果等因素，并結(jié)合我國民用智能建筑工程的具體情況特點來合理選擇相應(yīng)的變壓器設(shè)備，以實現(xiàn)節(jié)能減耗設(shè)計的目的。

表1 三相非晶合金鐵芯變壓器（AMT）參數(shù)

表2 S13變壓器參數(shù)

3.2 變壓器容量的合理選擇

應(yīng)依據(jù)實際情況的負荷和等級來確定變壓器的臺數(shù)和容量，在滿足電力系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)上，提高其經(jīng)濟性[5]。在工程設(shè)計實施中，需按照主要用途來合理劃分生活區(qū)負載和動力負載，以保證其裝置工作的穩(wěn)定性。而如果在民用智慧建筑內(nèi)部的電氣系統(tǒng)中，由于需要存在不同系統(tǒng)計量算法等級的用電負荷時，也可分別設(shè)置相應(yīng)的電力變壓器裝置。另外，如果用戶供電系統(tǒng)內(nèi)部的負載較大而必須從較遠處進行輸電時，或是接近負載壓力很大的重要電力節(jié)點時，也可通過選擇設(shè)置1臺具備相應(yīng)獨立性功能的電力變壓器裝置，來保證其設(shè)備電源的工作穩(wěn)定性。在建筑變壓器裝置臺數(shù)基本設(shè)定后，設(shè)計工作人員可通過使用先進的計量算法工具進行數(shù)據(jù)分析，減少建筑變壓器的實際空載損耗，達到節(jié)能目的。

3.3 優(yōu)化變壓器運行方式

通常在民用智能建筑工程電氣系統(tǒng)設(shè)計中，為有效保證電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行及供電安全，則會在專用變壓器閥和大容量安全閥的設(shè)計過程中均分別預(yù)留一定的余量，造成變壓器普遍存在電壓和容量偏大的情況[6]。同時民用智能建筑電氣系統(tǒng)的設(shè)計實際平均用電量也經(jīng)常會普遍存在升伏峰谷波和降伏反向波動的現(xiàn)象，因此在電力系統(tǒng)設(shè)計中還要不斷研究優(yōu)化變壓器的各種經(jīng)濟運行供電方式，防止變壓器由于其他負荷輕載或負荷過載而產(chǎn)生波動，造成電力系統(tǒng)實際電能大量使用損耗。因此電力系統(tǒng)設(shè)計中的工作人員需根據(jù)民用智能建筑工程電氣系統(tǒng)規(guī)模的不同、功能的不同，以及系統(tǒng)實際供電量穩(wěn)定性和性能要求的不同特點，來正合理配置民用智能建筑電氣系統(tǒng)的變壓器以及供電系統(tǒng)設(shè)備，通過綜合設(shè)計分析其中的經(jīng)濟運行方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達到降低用電成本和減少損耗的效果。

3.4 變壓器功率因數(shù)的合理控制

造成變壓器功率損耗的一個重要影響參數(shù)因素就是電器功率損耗，因此許多設(shè)計人員認為采取有效控制電器功率損耗因數(shù)值的措施可實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效果。

（1） 自然功率因素提高方式。當(dāng)變壓器設(shè)備能夠在輕載和空載高壓條件下正常運行時，其它的無效功功率達到了約20%，功率損耗大，因此可根據(jù)實際使用情況需求來不斷提高變壓器設(shè)備的效率，從而通過自然電源功率利用因數(shù)的大幅提高即可有效減少家用變壓器的電能損耗，以達到合格的節(jié)能效果。

（2） 設(shè)置無功補償設(shè)備。一般可采用并聯(lián)無功補償驅(qū)動方法，來提高線路功率損失因數(shù)，從而改善前端變壓器的節(jié)能利用效益，無功補償控制器原理見圖1。目前較為普遍的無功補償驅(qū)動方法，主要包括就地式的補償、集中式的補償和分散式的補償?shù)确椒ā６诰€路工程設(shè)計實際中，針對與前端變壓器母線的距離較近而且較集中部分需要對其實施的大容量無功電能補償，通常也可直接采用在線路前端連接變電站的一個低壓甚至是高壓終端母線上，直接設(shè)置無功補償驅(qū)動設(shè)備的方法來對其實施集中式的補償。由于前端變電所母線數(shù)量相差很大，而且分散部分的高壓供電輸送負荷，則通常也可直接通過在低壓終端母線設(shè)置無功補償驅(qū)動裝置的方法來對其進行分散式的補償。而對于對無功補償方法比較穩(wěn)定且用電容變量差很多的低壓供電輸送負荷，則一般也可通過直接并聯(lián)無功補償驅(qū)動設(shè)備的方法來對其進行就地集中補償，以實現(xiàn)提高節(jié)能的使用效益[7]。

圖1 無功補償控制器原理

3.5 抑制變壓器諧波的設(shè)計方法

民用智能建筑電氣系統(tǒng)中的變壓器損耗還會受到電氣系統(tǒng)中諧波問題的影響，對于受諧波影響明顯的變壓器設(shè)備可以采取受端治理措施來增強其諧波器的抗干擾能力。在變壓器二側(cè)接線使用Dyn11接線組別（Dyn11接線見圖2），這種Dyn11接線控制形式可直接將兩個諧波傳動輸出電流從其諧波傳動繞組內(nèi)部串聯(lián)，從而產(chǎn)生諧波傳動環(huán)流，可有效起到了避免系統(tǒng)變壓器的兩個諧波傳動輸出電流共同產(chǎn)生從而耦合諧波傳遞器的功能，實現(xiàn)通過直接控制諧波的以達到節(jié)能降耗目的。不過在節(jié)能設(shè)計中采用這種諧波繞組式的接線控制方式時，必須注意其在直接抑制兩側(cè)諧波電流產(chǎn)生的功率同時它還會直接增加系統(tǒng)變壓器的兩側(cè)諧波輸出功率，因此設(shè)計需要同時采取一些相應(yīng)的諧波耐壓和高溫保護措施。此外，設(shè)計研究人員也認為可以通過采用電流濾波器保護設(shè)備來防止系統(tǒng)諧波電流進入系統(tǒng)電流傳遞系統(tǒng)，這樣就可以起到有效抑制系統(tǒng)諧波、降低系統(tǒng)變壓器諧波損耗的主要效果。

圖2 Dyn11接線組別相

4 實際應(yīng)用

某商業(yè)綜合體建筑，地下1層，地上5層，建筑高度為23.9m，總建筑面積約142600m2，其中地上建筑面約94025m2，地下建筑面積約48575m2。設(shè)有商業(yè)營業(yè)收銀機以及托管機房、慧云機房、電動汽車充電樁、電視、電話、網(wǎng)絡(luò)、信號覆蓋等電氣系統(tǒng)，并設(shè)有火災(zāi)自動報警、入侵報警、智能泊車監(jiān)控、智能安防、智能設(shè)備監(jiān)控、變配電智能監(jiān)控等智能化系統(tǒng)，電氣統(tǒng)復(fù)雜，建筑整體耗電量較大。工程總計算負荷14500kVA，共設(shè)有3個變電所（1#變電所布置見圖3，1#變電所1#變壓器配電系統(tǒng)圖見圖4）。

圖3 1#變電所平面布置

圖4 1#變電所1#變壓器配電系統(tǒng)

按照文中闡述的民用智能建筑電氣設(shè)計節(jié)能設(shè)計原則，運用智能建筑工程電氣系統(tǒng)中的變壓器節(jié)能設(shè)計的方法和技術(shù)。工程合理確定變壓器容量和數(shù)量，3個變電所分別設(shè)置在各業(yè)態(tài)負荷中心位置，控制供電半徑，降低線路損耗；選用S13節(jié)能型變壓器，采用Dyn11型接線，降低能耗，提高效率；變電所采用調(diào)諧濾波型無功補償設(shè)備以降低系統(tǒng)諧波含量提高功率因數(shù)，減少線路損耗；通過智能監(jiān)控和能源管理系統(tǒng)，監(jiān)控變壓器運行，優(yōu)化變壓器運行方式，達到節(jié)能效果；在變電所設(shè)置有源濾波器以抑制諧波，并在可能存在較大量非線性負荷變電所預(yù)留備用安裝有源濾波器的位置；采用低壓集中自動補償方式，在變配電所低壓側(cè)設(shè)功率因數(shù)自動補償裝置，根據(jù)無功需要量進行分組自動投切，要求補償后的功率因數(shù)在0.95以上，高壓側(cè)功率因數(shù)不小于0.9。

項目運行后的得到了建設(shè)單位及業(yè)主的一致好評，方法措施得當(dāng)，節(jié)能效果明顯，建設(shè)單位擬在集團推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

目前，國家大力提倡低碳經(jīng)濟，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展策略，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國家對于節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用將持續(xù)增強。變壓器是電氣系統(tǒng)中重要的設(shè)備，合理選擇變壓器相關(guān)設(shè)備的電氣型號以及電氣容量，通過對變壓器設(shè)備應(yīng)用功率因數(shù)控制、無功補償控制、抑制變壓器諧波等技術(shù)來有效減少變壓器的電能損耗，從而有效提高民用智能建筑民用電氣系統(tǒng)中的節(jié)能效果，實現(xiàn)低碳和可持續(xù)發(fā)展，推廣應(yīng)用前景廣闊。