陳 校

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，北京100045)

1 引言

筆者負(fù)責(zé)某援外政府辦公樓的電氣設(shè)計(jì)工作，由于項(xiàng)目性質(zhì)異常重要，當(dāng)?shù)毓?jié)能考核指標(biāo)嚴(yán)格，設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮建筑物落成后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，因此，筆者對(duì)其變電室低壓系統(tǒng)用電負(fù)荷進(jìn)行了全面分析，并通過(guò)綜合能效費(fèi)用法(TOC方法)進(jìn)行計(jì)算，比對(duì)了常用的SCB10干式變壓器及SCBH15非晶合金變壓器的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，作為后續(xù)選擇變壓器的依據(jù)。

2 項(xiàng)目概況

2.1 電源情況及低壓主接線

本項(xiàng)目設(shè)有一座22/0.4kV獨(dú)立變電所。受援國(guó)負(fù)責(zé)將兩路獨(dú)立22kV中壓外線埋地引入中壓配電室內(nèi)。變電所內(nèi)設(shè)置2臺(tái)干式變壓器分列運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)各帶50%負(fù)荷，一路電源故障時(shí)，另一路帶全部負(fù)荷。根據(jù)當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定情況及外方使用要求，設(shè)置2臺(tái)常用功率為1 000kVA柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)作為備用電源，在市電故障時(shí)提供本項(xiàng)目全部負(fù)荷用電保障。

本項(xiàng)目所有消防設(shè)備、廣播及會(huì)議系統(tǒng)、安防設(shè)備、應(yīng)急疏散照明、辦公區(qū)用電、電梯、弱電系統(tǒng)機(jī)房、轉(zhuǎn)播電源、生活泵、污水泵為一級(jí)負(fù)荷，其中會(huì)堂及接見(jiàn)廳照明、電聲、錄像及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用電為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷；空調(diào)用電為二級(jí)負(fù)荷；噴水池及景觀照明為三級(jí)負(fù)荷。

本項(xiàng)目低壓主接線方案示意圖如圖1所示。

圖1 低壓主接線方案

2.2 用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及計(jì)算表

本工程總負(fù)荷容量為Pe=2 607kW，其中一級(jí)負(fù)荷為Pe=1 422kW,二級(jí)負(fù)荷為Pe=1 110kW，三級(jí)負(fù)荷為Pe=75kW，消防負(fù)荷為Pe=238.5kW。

負(fù)荷計(jì)算表如表1、表2和表3所示。

由表1、表2和表3可以看出，本工程擬選用2臺(tái)1 600kVA變壓器，1#變壓器正常運(yùn)行負(fù)荷率為45.6%，2#變壓器正常運(yùn)行負(fù)荷率為43.5%，1臺(tái)變壓器故障時(shí)，外方使用要求另1臺(tái)變壓器帶本工程全部一、二、三級(jí)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，負(fù)荷率為94.6%。關(guān)于變壓器容量選擇是否合理，以及對(duì)于目前常用的SCB10環(huán)氧樹(shù)脂澆注三相干式變壓器及SCBH15低損耗非晶合金變壓器到底選擇哪一種，筆者將根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，綜合考慮變壓器負(fù)荷率、價(jià)格、損耗、負(fù)荷特點(diǎn)、電價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行能效評(píng)價(jià)，作為下一步設(shè)計(jì)依據(jù)。

表1 1#變壓器正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷計(jì)算表

表2 2#變壓器正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷計(jì)算表

3 配電變壓器選擇和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

3.1 基本概念及公式

1)變壓器的效率η

式中，P2為負(fù)載功率；ΔP為有功損耗(包含鐵損與銅損)；cosφ為負(fù)載功率因數(shù)；β為負(fù)載率；SN為變壓器額定容量；Po為變壓器的空載損耗；PK為變壓器的短路損耗。

為了求出最佳變壓器負(fù)載率，利用高等數(shù)學(xué)的方法對(duì)上式求一次導(dǎo)數(shù)，并令其等于零。dη/dβ=0時(shí)，得出：

β2PKSNcosφ-POSNcosφ=0

求出不考慮變壓器的無(wú)功損耗時(shí)，變壓器運(yùn)行效率最大時(shí)的有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率βmp，

(1)

變換此公式，得：

由上式不難看出，變壓器的不變損耗(鐵損)等于變動(dòng)損耗(銅損)時(shí)，變壓器的運(yùn)行效率最高。

2)根據(jù)《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》(GB/T 13462-2008)關(guān)于變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)確定方法的相關(guān)要求，變壓器運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限(即大馬拉小車)時(shí)的臨界負(fù)載率βLp為：

(2)

3)綜合能效費(fèi)用法(TOC方法)

對(duì)配電變壓器進(jìn)行能效經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，可采用綜合考慮其初始投資和在其經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)將要支付的電能損耗費(fèi)用的綜合能效費(fèi)用法(TOC方法)。

配電變壓器綜合能效費(fèi)用的計(jì)算表達(dá)式為:

TOCefc=CI+Poefc+Pkefc=

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

Qo≈Sr(Io%)/100

Qr≈Sr(Uk%)/100

式中，CI為配電變壓器初始費(fèi)用，A(Po+KqQo)為變壓器空載損耗的等效費(fèi)用，B(Pk+KqQr)為變壓器負(fù)載損耗的等效費(fèi)用。A值除與變壓器的壽命期和此期間利率等有關(guān)外，還與電價(jià)有關(guān)。B值除與前述A值的相關(guān)因素有關(guān)外，還與變壓器所帶負(fù)荷的負(fù)載特征有關(guān)。其計(jì)算公式如下：

表3 1臺(tái)變壓器故障時(shí)負(fù)荷計(jì)算表

A=kpv·(Ee·Hpy+Ec×12)

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

式中，CI為配電變壓器初始費(fèi)用，新建項(xiàng)目為設(shè)備價(jià)格(元)；Poefc為變壓器空載損耗的等效費(fèi)用，(元)；Pkefc為變壓器負(fù)載損耗的等效費(fèi)用，(元)；A為變壓器壽命期間單位空載損耗的資本費(fèi)用，(元/kW)；B為變壓器壽命期間單位負(fù)載損耗的資本費(fèi)用，(元/kW)；Po為變壓器空載有功損耗(鐵損)，(kW)；Kq為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，一般取0.1kW/kVar，(kW/kVar)，；Qo為變壓器空載時(shí)的無(wú)功損耗，(kVar)；Io%為變壓器空載電流占額定電流的百分值，(%)；Sr為變壓器的額定容量，(kVA)；Pk為變壓器負(fù)載有功損耗，(kW)；Qr為變壓器額定負(fù)荷時(shí)的無(wú)功損耗增量，(kVar)；Uk%為變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分值，(%)。kpv為貼現(xiàn)率為i、使用壽命為n年的限值系數(shù)；Ee為單位電度電費(fèi)，(元/kWh)；本工程地處東南亞某市，其運(yùn)行電費(fèi)為0.118 4USD/h，約合人民幣0.75元/h。Ec為單位容量電費(fèi)，(元/kW·月)；Hpy為變壓器年帶電小時(shí)數(shù)，通常為8 760h；β0為變壓器的初始負(fù)載率。本工程初始負(fù)載率依據(jù)負(fù)荷計(jì)算表內(nèi)數(shù)據(jù)，取為46%；τ依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》選擇，城市生活計(jì)算值為1 250h。

3.2 有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率比對(duì)

筆者依據(jù)某廠家提供的變壓器技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，SCB10環(huán)氧樹(shù)脂澆注三相干式變壓器及SCBH15低損耗非晶合金變壓器的有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率及臨界負(fù)載率如表4和表5所示。

表4 SCB10環(huán)氧樹(shù)脂澆注三相干式變壓器技術(shù)參數(shù)及經(jīng)濟(jì)負(fù)載率

注：運(yùn)行效率最高時(shí)有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率采用上文公式1計(jì)算，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限時(shí)的臨界負(fù)載率采用上文公式2計(jì)算。

表5 SCBH15低損耗非晶合金變壓器技術(shù)參數(shù)及經(jīng)濟(jì)負(fù)載率

注：運(yùn)行效率最高時(shí)有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率采用上文公式1計(jì)算，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限時(shí)的臨界負(fù)載率采用上文公式2計(jì)算。

由上述計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，容量1 600kVA的SCB10環(huán)氧樹(shù)脂澆注三相干式變壓器在有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率為46%時(shí)運(yùn)行效率最高，其處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限時(shí)的臨界負(fù)載率為21%。而容量1 600kVA的SCBH15低損耗非晶合金變壓器在有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率為25%時(shí)運(yùn)行效率最高，其處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)下限時(shí)的臨界負(fù)載率為6%。

近年來(lái)各種系列低損耗電力變壓器已得到廣泛應(yīng)用，在節(jié)省電能和運(yùn)行費(fèi)用方面，已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效果。目前變壓器本身的額定效率已經(jīng)很高，一般中小型變壓器額定效率都在96%以上。但很多場(chǎng)合，出現(xiàn)了由于變壓器的配置和運(yùn)行不合理，致使變壓器的實(shí)際運(yùn)行效率并不高的問(wèn)題。當(dāng)變壓器的負(fù)載率過(guò)低或過(guò)高時(shí)，變壓器自身的總消耗在變壓器總輸入能量中所占的比例上升，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行效率下降。

受過(guò)去傳統(tǒng)習(xí)慣的影響，很多設(shè)計(jì)師及審圖人員在變壓器選擇和運(yùn)行問(wèn)題上尚存在一些誤區(qū)，這導(dǎo)致在變壓器實(shí)際應(yīng)用中有不小的電能浪費(fèi)的問(wèn)題。例如變壓器的最高效率出現(xiàn)在75%負(fù)載率左右，變壓器負(fù)載率低于30%為大馬拉小車等觀點(diǎn)沒(méi)有計(jì)算依據(jù)，且由上文可知，不同系列、不同參數(shù)的變壓器有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率、臨界負(fù)載率數(shù)值也不相同。因此，本工程設(shè)置的2臺(tái)1 600kVA變壓器，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率為43%～46%，故障運(yùn)行時(shí)負(fù)載率為94.6%，選擇尚合理。

3.3 綜合能效費(fèi)用法比對(duì)

根據(jù)上文介紹的綜合能效費(fèi)用法(TOC方法)，筆者以變壓器使用壽命為10年及20年分別統(tǒng)計(jì)了變壓器在其經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)將要支付的電能損耗費(fèi)用，并考慮了其初始投資，力圖從經(jīng)濟(jì)角度更加科學(xué)地了解、評(píng)判變壓器的節(jié)能效益。援外項(xiàng)目與國(guó)內(nèi)項(xiàng)目有所差異，受援國(guó)在關(guān)注節(jié)能效果的同時(shí)，還非常關(guān)注長(zhǎng)期承擔(dān)大型設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)和定期大修的可行性及便利性。

由表6可知，按照本工程負(fù)荷計(jì)算表中正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率為46%分析綜合能效：非晶合金變壓器在10年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)綜合能效費(fèi)用為1 159 274元，較常用的SCB10變壓器高14%。在20年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)綜合能效費(fèi)用為1 251 557元，較常用的SCB10變壓器高2.4%。

非晶合金變壓器產(chǎn)品損耗低，節(jié)能效果顯著，額定空載損耗僅為SCB10變壓器的30%左右。

表6 變壓器綜合能效費(fèi)用比較表

若忽略初投資不計(jì)，非晶合金變壓器在10年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用較常用的SCB10變壓器低7%，在20年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用較常用的SCB10變壓器低17%。

帶著上述理論比對(duì)結(jié)果，筆者到受援國(guó)進(jìn)行考察。由于本項(xiàng)目地處東南亞，受援國(guó)大型配電產(chǎn)品主要從周邊發(fā)達(dá)國(guó)家、我國(guó)云南等地采購(gòu)，日常維護(hù)保養(yǎng)一般能夠自行承擔(dān)，但定期大修均要從上述國(guó)家維修站點(diǎn)派出專業(yè)技術(shù)人員。因此，大型設(shè)備選型時(shí)在維修便利性方面不存在優(yōu)劣之差，選擇非晶合金變壓器不存在地區(qū)障礙。因此筆者認(rèn)為，本工程在綜合能效費(fèi)用相差不多的情況下，宜優(yōu)先選用節(jié)能產(chǎn)品，在節(jié)能降耗的同時(shí)滿足使用方降低變壓器運(yùn)營(yíng)成本的期望。

4 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與我國(guó)現(xiàn)行兩部制電價(jià)的不協(xié)調(diào)

本工程后期運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，但將目光轉(zhuǎn)向我國(guó)，推動(dòng)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行還略有難度。我國(guó)供電部門對(duì)大工業(yè)企業(yè)實(shí)行的電價(jià)制度為兩部制電價(jià)，即將電價(jià)分成基本電價(jià)與電度電價(jià)兩部，基本電價(jià)是按照工業(yè)企業(yè)的變壓器容量或最大需用量作為計(jì)算電價(jià)的依據(jù)，由供電部門與用電部門簽訂合同，確定限額，每月固定收取，不以實(shí)際耗電數(shù)量為轉(zhuǎn)移；電度電價(jià)，是按用電部門實(shí)際耗電度數(shù)計(jì)算的電價(jià)。

某文獻(xiàn)曾以2臺(tái)1 000kVA變壓器為例，若以2臺(tái)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為出發(fā)點(diǎn)，則2臺(tái)變壓器應(yīng)并聯(lián)運(yùn)行。若以節(jié)約基本電費(fèi)為出發(fā)點(diǎn)，則應(yīng)停用其中一臺(tái)變壓器，僅用一臺(tái)供電。經(jīng)計(jì)算，采用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式雖然變壓器年損耗電費(fèi)可減少5 443.49元，但為此要多付出基本電費(fèi)12萬(wàn)元。這兩種運(yùn)行方式下每年基本電費(fèi)的差值與變壓器電能損耗電費(fèi)的差值相差過(guò)于懸殊，因此在這種情況下，更多用戶會(huì)采用較小容量的變壓器日常運(yùn)行，以節(jié)約基本電費(fèi)。這就客觀導(dǎo)致了整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的損耗增加，國(guó)家大量的電能被浪費(fèi)掉。因此，在我國(guó)順利推廣變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)先行解決現(xiàn)行的電價(jià)制度、國(guó)家節(jié)能指導(dǎo)思想和用戶的實(shí)際供電三者之間的矛盾，將變壓器容量選擇的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性統(tǒng)一起來(lái)[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

在能源短缺的時(shí)代，無(wú)論供配電系統(tǒng)或用電設(shè)備，都存在著巨大的節(jié)能潛力。作為年輕一代的電氣設(shè)計(jì)師，應(yīng)把合理設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)，選用節(jié)能產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行作為首要任務(wù)。節(jié)能降耗是設(shè)計(jì)師擔(dān)負(fù)的社會(huì)責(zé)任，要具體落實(shí)在行動(dòng)上。在選用節(jié)能產(chǎn)品要增加初始投資的尷尬局面下，就要求我們學(xué)會(huì)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行科學(xué)論證，具體問(wèn)題具體分析。

本文希望有助于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行變壓器選型比對(duì)。由于時(shí)間緊張、水平有限，本文可能還存在著一些問(wèn)題，有待于在今后的實(shí)踐中進(jìn)一步研究和完善。

[1] 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等編.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 姚福來(lái)，張艷芳等.電氣節(jié)能控制方法與實(shí)踐[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3] 注冊(cè)電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)教材編委會(huì). 注冊(cè)電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)書.供配電專業(yè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[4] 向明華,談變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與現(xiàn)行兩部制電價(jià)的矛盾[J].節(jié)能，2000年(7).