民用智能建筑电气设计中的变压器节能技术与应用

闫峰

（黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨 150080）

0 引言

变压器是民用智能建筑电气系统中重要的组成部分，同时也是控制能源损耗的关键设备，其在民用智能建筑电气系统总损耗量中的占比达到40%～50%[1]。所以在民用以及其他智能建筑电气系统设计中采取有效的节能设计方法，可极大的减少能源的使用损耗。根据实际使用情况，选择合理的节能型变压器系统控制设备，通过不断完善民用节能变压器的系统设备运行、变压器电能容量管理、无功补偿以及有效的的抑制电源输出谐波等多种控制方式，可以有效的的减少节能变压器对民用建筑智能电力系统的巨大使用损耗，达到民用智能建筑节能系控制效果。

1 民用智能建筑电气设计节能设计的三大原则

1.1 适应性节能设计原则

一般来说，电气系统节能设计原则是指建筑节能电气设计工作中，应当以整个建筑内部的实际供电功能为设计基础，以保障建筑其他工程设计任务的顺利进行[2]。利用既有建筑电气系统设计的技术基础上，再加强建筑节能电气的设计。既要确保建筑物整体用电设备的正常运转，也要保证电气系统的供电功能运行使用正常。因此在进行民用智能建筑节能电气设计中，要从实际情况出发，结合具体功能需求，保证整个工程安全不受任何负面影响，再进行节能电气设计。

1.2 节约型节能设计原则

随着我国国民经济的快速增长，以及各行各业的健康有序发展，我们应该深入践行国家绿色经济发展和推动经济可持续发展两大基本理念。在确保新型建筑行业健康有序发展和施工需求得到满足同时，也必须提出要注重新型建筑节能减排降耗。对此，建筑工程节能解决方案设计的主要研究目的是减少不必要的建筑能源消耗。在保留新型建筑行业原有施工基本功能的设计基础上，尽量减少施工设备能耗。通过合理的设计方案优化，运用节能降耗手段，减少过度的能源消耗浪费。

1.3 先进性节能设计原则

在建筑节能工程设计中，要充分发挥科学信息技术的综合优势，不断学习新的先进技术，提高企业节能建筑设计的科学可行性和技术先进性。同时，在实际经济运行中，仍然还需及时制定一套科学合理的政策措施，以提高节能建筑设计的实际效果。

2 民用智能建筑工程电气系统中的变压器节能设计

民用智能建筑中电气系统设计及变压器节能减耗是设计的重点工作，在确保电气系统正常稳定工作的基础上，尽量减少系统变压器的固有损失。一般情况下，变压器设备损耗主要分为系统静态损耗和系统动态损耗两个部分。其中静态损耗主要是在变压器电气设备在机械加工制造的过程中，通过采用新工艺和新材料的方法，使其固有器件损耗得到降低。而动态损耗所指则是在保证变压器电气设备正常运行中，由于受系统相关器件动态电压参数等因素的变动影响而直接产生的损耗。

目前在绝大多数的民用智能建筑电气系统设备末端中，广泛使用10kV/380V规格为800～2000kVA的变压器，而此类变压器的损耗较大，因此民用智能建筑工程电气末端系统节能设计是一个重点技术环节。而变压器的末端节能设计效果也将直接关系到整体民用智能建筑工程电气系统设计的节能技术水平。

3 民用智能建筑工程电气系统中的变压器节能设计

3.1 节能型变压器设备的合理选择

在民用智能建筑物的电气系统设计中，要根据实际情况，对变压器的型号进行合理选择，以确保整个电气系统的平稳运行。在此基础上要尽量多地选择一些节能环保效果较好的变压器设备[3]。根据我国目前的法律法规和标准规范规定，S13及以上的智能变压器设备系列为节能型系列，其电气能效强度等级和电气能效强度限值等各项指标、参数、性能均能达到国家节能技术要求见表2。在各类型节能环保变压器生产设备中，超导节能变压器以及各种非晶态等合金型号的设备是目前节能环保效果较理想的节能变压器设备。非晶体的合金材料，是指高温钢水在极短距离内的急剧溶解降温后，其金属分子之间结构在固化剂的影响作用下迅速溶解后形成的无序电子排列，最后产生一个非晶体的的合金材料，该材料因为整体构造独特，其软磁性的特点尤为明显，使用这种材料进行加工制造的设备，能够有效率地减少整体电能的直接损耗见表1。与其他传统合金变压器相比，非晶硅铝合金变压器的最大空载功率损耗一般能降低60%～80%左右，节能利用效果十分明显[4]。但由于非晶硅铝合金材料设备的生产成本相对较高，因此在实际工程设计中必须充分考虑其产品价格因素和使用经济性。专业设计技术人员应综合考虑分析其在全产品寿命使用周期的生产购置设备成本、运行维护成本以及设备节能利用效果等因素，并结合我国民用智能建筑工程的具体情况特点来合理选择相应的变压器设备，以实现节能减耗设计的目的。

表1 三相非晶合金铁芯变压器（AMT）参数

表2 S13变压器参数

3.2 变压器容量的合理选择

应依据实际情况的负荷和等级来确定变压器的台数和容量，在满足电力系统正常运行的基础上，提高其经济性[5]。在工程设计实施中，需按照主要用途来合理划分生活区负载和动力负载，以保证其装置工作的稳定性。而如果在民用智慧建筑内部的电气系统中，由于需要存在不同系统计量算法等级的用电负荷时，也可分别设置相应的电力变压器装置。另外，如果用户供电系统内部的负载较大而必须从较远处进行输电时，或是接近负载压力很大的重要电力节点时，也可通过选择设置1台具备相应独立性功能的电力变压器装置，来保证其设备电源的工作稳定性。在建筑变压器装置台数基本设定后，设计工作人员可通过使用先进的计量算法工具进行数据分析，减少建筑变压器的实际空载损耗，达到节能目的。

3.3 优化变压器运行方式

通常在民用智能建筑工程电气系统设计中，为有效保证电力系统的平稳运行及供电安全，则会在专用变压器阀和大容量安全阀的设计过程中均分别预留一定的余量，造成变压器普遍存在电压和容量偏大的情况[6]。同时民用智能建筑电气系统的设计实际平均用电量也经常会普遍存在升伏峰谷波和降伏反向波动的现象，因此在电力系统设计中还要不断研究优化变压器的各种经济运行供电方式，防止变压器由于其他负荷轻载或负荷过载而产生波动，造成电力系统实际电能大量使用损耗。因此电力系统设计中的工作人员需根据民用智能建筑工程电气系统规模的不同、功能的不同，以及系统实际供电量稳定性和性能要求的不同特点，来正合理配置民用智能建筑电气系统的变压器以及供电系统设备，通过综合设计分析其中的经济运行方式和系统结构，达到降低用电成本和减少损耗的效果。

3.4 变压器功率因数的合理控制

造成变压器功率损耗的一个重要影响参数因素就是电器功率损耗，因此许多设计人员认为采取有效控制电器功率损耗因数值的措施可实现节能环保效果。

（1） 自然功率因素提高方式。当变压器设备能够在轻载和空载高压条件下正常运行时，其它的无效功功率达到了约20%，功率损耗大，因此可根据实际使用情况需求来不断提高变压器设备的效率，从而通过自然电源功率利用因数的大幅提高即可有效减少家用变压器的电能损耗，以达到合格的节能效果。

（2） 设置无功补偿设备。一般可采用并联无功补偿驱动方法，来提高线路功率损失因数，从而改善前端变压器的节能利用效益，无功补偿控制器原理见图1。目前较为普遍的无功补偿驱动方法，主要包括就地式的补偿、集中式的补偿和分散式的补偿等方法。而在线路工程设计实际中，针对与前端变压器母线的距离较近而且较集中部分需要对其实施的大容量无功电能补偿，通常也可直接采用在线路前端连接变电站的一个低压甚至是高压终端母线上，直接设置无功补偿驱动设备的方法来对其实施集中式的补偿。由于前端变电所母线数量相差很大，而且分散部分的高压供电输送负荷，则通常也可直接通过在低压终端母线设置无功补偿驱动装置的方法来对其进行分散式的补偿。而对于对无功补偿方法比较稳定且用电容变量差很多的低压供电输送负荷，则一般也可通过直接并联无功补偿驱动设备的方法来对其进行就地集中补偿，以实现提高节能的使用效益[7]。

图1 无功补偿控制器原理

3.5 抑制变压器谐波的设计方法

民用智能建筑电气系统中的变压器损耗还会受到电气系统中谐波问题的影响，对于受谐波影响明显的变压器设备可以采取受端治理措施来增强其谐波器的抗干扰能力。在变压器二侧接线使用Dyn11接线组别（Dyn11接线见图2），这种Dyn11接线控制形式可直接将两个谐波传动输出电流从其谐波传动绕组内部串联，从而产生谐波传动环流，可有效起到了避免系统变压器的两个谐波传动输出电流共同产生从而耦合谐波传递器的功能，实现通过直接控制谐波的以达到节能降耗目的。不过在节能设计中采用这种谐波绕组式的接线控制方式时，必须注意其在直接抑制两侧谐波电流产生的功率同时它还会直接增加系统变压器的两侧谐波输出功率，因此设计需要同时采取一些相应的谐波耐压和高温保护措施。此外，设计研究人员也认为可以通过采用电流滤波器保护设备来防止系统谐波电流进入系统电流传递系统，这样就可以起到有效抑制系统谐波、降低系统变压器谐波损耗的主要效果。

图2 Dyn11接线组别相

4 实际应用

某商业综合体建筑，地下1层，地上5层，建筑高度为23.9m，总建筑面积约142600m2，其中地上建筑面约94025m2，地下建筑面积约48575m2。设有商业营业收银机以及托管机房、慧云机房、电动汽车充电桩、电视、电话、网络、信号覆盖等电气系统，并设有火灾自动报警、入侵报警、智能泊车监控、智能安防、智能设备监控、变配电智能监控等智能化系统，电气统复杂，建筑整体耗电量较大。工程总计算负荷14500kVA，共设有3个变电所（1#变电所布置见图3，1#变电所1#变压器配电系统图见图4）。

图3 1#变电所平面布置

图4 1#变电所1#变压器配电系统

按照文中阐述的民用智能建筑电气设计节能设计原则，运用智能建筑工程电气系统中的变压器节能设计的方法和技术。工程合理确定变压器容量和数量，3个变电所分别设置在各业态负荷中心位置，控制供电半径，降低线路损耗；选用S13节能型变压器，采用Dyn11型接线，降低能耗，提高效率；变电所采用调谐滤波型无功补偿设备以降低系统谐波含量提高功率因数，减少线路损耗；通过智能监控和能源管理系统，监控变压器运行，优化变压器运行方式，达到节能效果；在变电所设置有源滤波器以抑制谐波，并在可能存在较大量非线性负荷变电所预留备用安装有源滤波器的位置；采用低压集中自动补偿方式，在变配电所低压侧设功率因数自动补偿装置，根据无功需要量进行分组自动投切，要求补偿后的功率因数在0.95以上，高压侧功率因数不小于0.9。

项目运行后的得到了建设单位及业主的一致好评，方法措施得当，节能效果明显，建设单位拟在集团推广应用。

5 结语

目前，国家大力提倡低碳经济，实现可持续发展策略，为了实现可持续发展，国家对于节能技术的推广应用将持续增强。变压器是电气系统中重要的设备，合理选择变压器相关设备的电气型号以及电气容量，通过对变压器设备应用功率因数控制、无功补偿控制、抑制变压器谐波等技术来有效减少变压器的电能损耗，从而有效提高民用智能建筑民用电气系统中的节能效果，实现低碳和可持续发展，推广应用前景广阔。