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(shí)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(dá)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(jì)中采取有效的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，可極大的減少能源的使用損耗。根據(jù)實(shí)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(yùn)行、變壓器電能容量管理、無功補(bǔ)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(dá)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(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)的三大原則

1.1 適應(yīng)性節(jié)能設(shè)計(jì)原則

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

1.2 節(jié)約型節(jié)能設(shè)計(jì)原則

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)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(shí)，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(jì)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(jì)基礎(chǔ)上，盡量減少施工設(shè)備能耗。通過合理的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，運(yùn)用節(jié)能降耗手段，減少過度的能源消耗浪費(fèi)。

1.3 先進(jìn)性節(jié)能設(shè)計(jì)原則

在建筑節(jié)能工程設(shè)計(jì)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(jìn)技術(shù)，提高企業(yè)節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的科學(xué)可行性和技術(shù)先進(jìn)性。同時(shí)，在實(shí)際經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，仍然還需及時(shí)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(jì)的實(shí)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(jì)

民用智能建筑中電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及變壓器節(jié)能減耗是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(dòng)態(tài)損耗兩個(gè)部分。其中靜態(tài)損耗主要是在變壓器電氣設(shè)備在機(jī)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(dòng)態(tài)損耗所指則是在保證變壓器電氣設(shè)備正常運(yùn)行中，由于受系統(tǒng)相關(guān)器件動(dòng)態(tài)電壓參數(shù)等因素的變動(dòng)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(jì)是一個(gè)重點(diǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)。而變壓器的末端節(jié)能設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)

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(jì)中，要根據(jù)實(shí)際情況，對變壓器的型號(hào)進(jìn)行合理選擇，以確保整個(gè)電氣系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)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(qiáng)度等級和電氣能效強(qiáng)度限值等各項(xiàng)指標(biāo)、參數(shù)、性能均能達(dá)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(hào)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(gè)非晶體的的合金材料，該材料因?yàn)檎w構(gòu)造獨(dú)特，其軟磁性的特點(diǎn)尤為明顯，使用這種材料進(jìn)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(shí)際工程設(shè)計(jì)中必須充分考慮其產(chǎn)品價(jià)格因素和使用經(jīng)濟(jì)性。專業(yè)設(shè)計(jì)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(yùn)行維護(hù)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(diǎn)來合理選擇相應(yīng)的變壓器設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗設(shè)計(jì)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(shí)際情況的負(fù)荷和等級來確定變壓器的臺(tái)數(shù)和容量，在滿足電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，提高其經(jīng)濟(jì)性[5]。在工程設(shè)計(jì)實(shí)施中，需按照主要用途來合理劃分生活區(qū)負(fù)載和動(dòng)力負(fù)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(jì)量算法等級的用電負(fù)荷時(shí)，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(fù)載較大而必須從較遠(yuǎn)處進(jìn)行輸電時(shí)，或是接近負(fù)載壓力很大的重要電力節(jié)點(diǎn)時(shí)，也可通過選擇設(shè)置1臺(tái)具備相應(yīng)獨(dú)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(tái)數(shù)基本設(shè)定后，設(shè)計(jì)工作人員可通過使用先進(jìn)的計(jì)量算法工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，減少建筑變壓器的實(shí)際空載損耗，達(dá)到節(jié)能目的。

3.3 優(yōu)化變壓器運(yùn)行方式

通常在民用智能建筑工程電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為有效保證電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行及供電安全，則會(huì)在專用變壓器閥和大容量安全閥的設(shè)計(jì)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(shí)民用智能建筑電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際平均用電量也經(jīng)常會(huì)普遍存在升伏峰谷波和降伏反向波動(dòng)的現(xiàn)象，因此在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還要不斷研究優(yōu)化變壓器的各種經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供電方式，防止變壓器由于其他負(fù)荷輕載或負(fù)荷過載而產(chǎn)生波動(dòng)，造成電力系統(tǒng)實(shí)際電能大量使用損耗。因此電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)際供電量穩(wěn)定性和性能要求的不同特點(diǎn)，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(jì)分析其中的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)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(gè)重要影響參數(shù)因素就是電器功率損耗，因此許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為采取有效控制電器功率損耗因數(shù)值的措施可實(shí)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(yùn)行時(shí)，其它的無效功功率達(dá)到了約20%，功率損耗大，因此可根據(jù)實(shí)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(dá)到合格的節(jié)能效果。

（2） 設(shè)置無功補(bǔ)償設(shè)備。一般可采用并聯(lián)無功補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償控制器原理見圖1。目前較為普遍的無功補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)方法，主要包括就地式的補(bǔ)償、集中式的補(bǔ)償和分散式的補(bǔ)償?shù)确椒?。而在線路工程設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)施的大容量無功電能補(bǔ)償，通常也可直接采用在線路前端連接變電站的一個(gè)低壓甚至是高壓終端母線上，直接設(shè)置無功補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法來對其實(shí)施集中式的補(bǔ)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(fù)荷，則通常也可直接通過在低壓終端母線設(shè)置無功補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)裝置的方法來對其進(jìn)行分散式的補(bǔ)償。而對于對無功補(bǔ)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(fù)荷，則一般也可通過直接并聯(lián)無功補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)設(shè)備的方法來對其進(jìn)行就地集中補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)提高節(jié)能的使用效益[7]。

圖1 無功補(bǔ)償控制器原理

3.5 抑制變壓器諧波的設(shè)計(jì)方法

民用智能建筑電氣系統(tǒng)中的變壓器損耗還會(huì)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(qiáng)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(gè)諧波傳動(dòng)輸出電流從其諧波傳動(dòng)繞組內(nèi)部串聯(lián)，從而產(chǎn)生諧波傳動(dòng)環(huán)流，可有效起到了避免系統(tǒng)變壓器的兩個(gè)諧波傳動(dòng)輸出電流共同產(chǎn)生從而耦合諧波傳遞器的功能，實(shí)現(xiàn)通過直接控制諧波的以達(dá)到節(jié)能降耗目的。不過在節(jié)能設(shè)計(jì)中采用這種諧波繞組式的接線控制方式時(shí)，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(shí)它還會(huì)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(jì)需要同時(shí)采取一些相應(yīng)的諧波耐壓和高溫保護(hù)措施。此外，設(shè)計(jì)研究人員也認(rèn)為可以通過采用電流濾波器保護(hù)設(shè)備來防止系統(tǒng)諧波電流進(jìn)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(shí)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(jī)以及托管機(jī)房、慧云機(jī)房、電動(dòng)汽車充電樁、電視、電話、網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)覆蓋等電氣系統(tǒng)，并設(shè)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、入侵報(bào)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(jì)算負(fù)荷14500kVA，共設(shè)有3個(gè)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(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)原則，運(yùn)用智能建筑工程電氣系統(tǒng)中的變壓器節(jié)能設(shè)計(jì)的方法和技術(shù)。工程合理確定變壓器容量和數(shù)量，3個(gè)變電所分別設(shè)置在各業(yè)態(tài)負(fù)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(bǔ)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(yùn)行，優(yōu)化變壓器運(yùn)行方式，達(dá)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(fù)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(dòng)補(bǔ)償方式，在變配電所低壓側(cè)設(shè)功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償裝置，根據(jù)無功需要量進(jìn)行分組自動(dòng)投切，要求補(bǔ)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(xiàng)目運(yùn)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(tuán)推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

目前，國家大力提倡低碳經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展策略，為了實(shí)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(qiáng)。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(hào)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)低碳和可持續(xù)發(fā)展，推廣應(yīng)用前景廣闊。