基于建筑分項(xiàng)計量數(shù)據(jù)的變壓器運(yùn)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(tuán)）股份有限公司

基于建筑分項(xiàng)計量數(shù)據(jù)的變壓器運(yùn)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(tuán)）股份有限公司

選取上海地區(qū)實(shí)施分項(xiàng)計量的250余棟大型公共建筑中的1 000臺實(shí)際運(yùn)行的配電變壓器，對其主要參數(shù)及其2016年全年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析，結(jié)合變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及論文著作等參考資料，統(tǒng)計了大型公共建筑建筑內(nèi)配電變壓器的配置情況；對變壓器運(yùn)行的負(fù)載率、三相平衡情況以及功率因數(shù)進(jìn)行的分析，總結(jié)了在大型公建中變壓器運(yùn)行現(xiàn)狀的問題并提出幾點(diǎn)建議。

分項(xiàng)計量 配電變壓器 負(fù)載率

1 公共建筑中配電變壓器配置調(diào)查

1.1 建筑體量與變壓器數(shù)量的關(guān)系

一般而言，建筑體量（按建筑面積計）越大，業(yè)態(tài)型式越多，響應(yīng)的用電越復(fù)雜、容量越大，故變壓器配置數(shù)量也應(yīng)越多，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)的公共建筑由于要求是電力雙進(jìn)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(shù)量大都在2～4臺；

（2）50%的稍大型建筑（5～10萬m2）配置4臺設(shè)備，其余數(shù)量較不統(tǒng)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(jìn)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(jī)容量的關(guān)系

（1）2萬m2以下建筑的裝機(jī)容量一般均小于4000kVA；

（2）2～5萬m2建筑裝機(jī)容量一般都在6000kVA以下，根據(jù)建筑功能業(yè)態(tài)不同，區(qū)別較大，學(xué)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?cè)萘?，且?shù)量超過8臺。

1.3 變壓器容量規(guī)格的分布

根據(jù)配電變壓器容量規(guī)格，統(tǒng)計樣本中的設(shè)備數(shù)量，發(fā)現(xiàn)如圖1。

圖1 電變壓器容量規(guī)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(guī)格；

（2）對于配置2臺變壓器的建筑（即每條電力進(jìn)線1臺），現(xiàn)實(shí)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(shè)備搭配配置。

1.4 變壓器臺數(shù)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(shù)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(yīng)考慮多種因素：

（1）初期建設(shè)成本與長期運(yùn)行成本的平衡；

（2）配電房場所的空間條件；

（3）單臺設(shè)備供電半徑的約束；

（4）末端用電負(fù)載集中度的約束；

（5）末端單臺大功率設(shè)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(jié)果，要結(jié)合建筑實(shí)際情況；同時，變壓器配置方案一旦確定，未來不易調(diào)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(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容。那么針對目標(biāo)建筑所需用電容量的估算主要有以下3種方法。

（1）利用負(fù)荷計算法估算，現(xiàn)在最常用的方法；

（2）利用最經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(yùn)行成本來看，如果有季節(jié)性負(fù)荷的話，最好用兩臺稍小容量變壓器組合的方案。當(dāng)季節(jié)性負(fù)荷不用時，可向供電公司季節(jié)性報停一臺，可以節(jié)省可觀的基礎(chǔ)電費(fèi)并減少電力損耗。

2 公共建筑變壓器的運(yùn)行參數(shù)分析

2.1 變壓器理論最佳運(yùn)行負(fù)載

根據(jù)《GB/T 3485 評價企業(yè)合理用電技術(shù)導(dǎo)則》中要求：調(diào)整企業(yè)用電設(shè)備的工作狀態(tài)，合理分配與平衡負(fù)荷，使企業(yè)用電均衡化，提高企業(yè)負(fù)荷率。根據(jù)不同的用電情況，企業(yè)日負(fù)荷率應(yīng)不低于以下標(biāo)準(zhǔn)。

（1)連續(xù)性生產(chǎn)——95%；

（2)三班制生產(chǎn)——85%；

（3)二班制生產(chǎn)——60%；

（4)一班制生產(chǎn)——30%。

雖然該標(biāo)準(zhǔn)是針對生產(chǎn)性企業(yè)，公共建筑亦可作為參考。

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行主要指在滿足供電需求的基礎(chǔ)上，綜合損耗最小下的變壓器負(fù)載運(yùn)行方式。根據(jù)《GBT13462-2008電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》標(biāo)準(zhǔn)要求，變壓器綜合損耗最小的負(fù)載區(qū)間一般在40%～75%。

2.1.1 實(shí)際運(yùn)行負(fù)載統(tǒng)計——全時段

對所有監(jiān)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(shí)際運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行統(tǒng)計。

圖2 最大負(fù)載率分布圖/%

圖2 顯示，監(jiān)測中所有變壓器最大負(fù)載率不超過40%的數(shù)量占比33%。

40%是電力公司根據(jù)二部制電價規(guī)則按需量收取基本電費(fèi)的下限，暨參照裝機(jī)容量，實(shí)際使用負(fù)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(shù)量繳納基本電費(fèi)。上?；倦娰M(fèi)為42元/kW月。通過查閱約200棟大型公共建筑這幾年數(shù)千張實(shí)際電費(fèi)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(dá)數(shù)千萬元。

圖3 平均負(fù)載率分布圖/%

圖3 顯示，平均負(fù)載率低于30%的變壓器數(shù)量占比85.8%，而符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間（40%～75%）不到3%。

2.1.2 實(shí)際運(yùn)行負(fù)載統(tǒng)計——全年?duì)I業(yè)時段

由于功能業(yè)態(tài)要求，很多建筑并不是每天全時段營業(yè)，所以上一節(jié)的全時段統(tǒng)計并不能完全反映建筑用電現(xiàn)狀。以下統(tǒng)計根據(jù)建筑功能業(yè)態(tài)不同的營業(yè)時間，即正常用電時間，例如商務(wù)辦公、政府機(jī)關(guān)選擇工作日，每天7:00～20:00；商場選擇每天8:00～22:00；酒店、醫(yī)院等選擇全天24h等。在上述時間內(nèi)抽取數(shù)據(jù)再對變壓器實(shí)際運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如下。

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

（2）營業(yè)時間段內(nèi)，平均負(fù)載率低于30%的變壓器數(shù)量占比81.5%，符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間（40%～75%）4.2%。

從數(shù)據(jù)上看，與全時段統(tǒng)計值稍有改善，但差異不大，說明即使在建筑的營業(yè)時間內(nèi)，變壓器負(fù)載率總體水平還是過低。

2.1.3 實(shí)際運(yùn)行負(fù)載統(tǒng)計——7月份營業(yè)時段

進(jìn)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(shù)據(jù)顯示建筑實(shí)際能耗最高的月份），仍然只統(tǒng)計營業(yè)時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如下。

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

（2）關(guān)鍵來看平均負(fù)載率，平均負(fù)載率低于30%的變壓器占比下降到58.1%，符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)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(shí)際最大負(fù)荷需求的一倍還多，而且負(fù)荷率水平也是比較低的（即負(fù)荷波動較大）。

2.1.4 公共建筑中變壓器運(yùn)行負(fù)載分析小結(jié)

通過上述對樣本數(shù)據(jù)分析可見，大型公共建筑中普遍存在變壓器裝機(jī)總?cè)萘窟^大現(xiàn)象，且運(yùn)行中沒有采用彈性調(diào)整措施?！暗拓?fù)載率、低負(fù)荷率”這一現(xiàn)象導(dǎo)致投資過度、設(shè)備運(yùn)行效率不高、電力損耗上升、電費(fèi)支出偏高等問題。

變壓器容量合理選擇應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)基本原則。

（1）變壓器額定容量應(yīng)滿足近幾年內(nèi)最大實(shí)際負(fù)荷的需要；

（2）日常運(yùn)行時，盡量將變壓器負(fù)載運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)間內(nèi)。

對于難以同時符合兩個原則的負(fù)荷，可采取設(shè)置兩臺或多臺變壓器并列運(yùn)行，或采用一大一小容量的“子母變”輪換供電方式，或改用“調(diào)容變”設(shè)備等；總之，使運(yùn)行中的變壓器能經(jīng)常處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能節(jié)費(fèi)、延長設(shè)備壽命的目的。

2.2 變壓器電壓電流平衡統(tǒng)計

變壓器的運(yùn)行效率和安全指標(biāo)除了負(fù)載率之外，還有其他運(yùn)行參數(shù)也值得關(guān)注。對所有監(jiān)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(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)如下。

（1）三相電壓不平衡的控制情況良好，根據(jù)規(guī)范要求不平衡率小于2%的變壓器占比有98%，也有極少數(shù)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(xiàn)象比較嚴(yán)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(yè)時間段各常用設(shè)備開啟時，三相電流不平衡率可以維持在10%以內(nèi)；但在非營業(yè)時段會突破限值。

三相不平衡會導(dǎo)致變壓器損耗過高；零序電流過大，會引起導(dǎo)線和設(shè)備發(fā)熱甚至引起安全事故，對于安全用電和經(jīng)濟(jì)用電都有損害。導(dǎo)致三相電流不平的主要原因是初始配電設(shè)計與實(shí)際使用不匹配，或后期變更卻未做相應(yīng)調(diào)整，建筑運(yùn)行人員應(yīng)實(shí)時了解三相平衡數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題后及時調(diào)整各支路負(fù)荷分配。

另外，對于系統(tǒng)監(jiān)測而言，如果在現(xiàn)有電力參數(shù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，能再加上對變壓器內(nèi)部溫升的數(shù)據(jù)監(jiān)測，會更加有利于變壓器安全運(yùn)行管理。

2.3 變壓器功率因數(shù)統(tǒng)計

調(diào)查發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的公共建筑內(nèi)都配備了自動投切的無功補(bǔ)償柜，所以大型公建內(nèi)的功率因數(shù)控制情況總體良好。

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

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

無功補(bǔ)償是非常成熟的技術(shù)，公共建筑配電要求配置自動/手動補(bǔ)償柜，但是實(shí)際現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)少數(shù)設(shè)備有配備，但已失效，建議及時修復(fù)。

3 結(jié)論與建議

3.1 變壓器運(yùn)行現(xiàn)狀問題總結(jié)

借助分項(xiàng)計量，以監(jiān)測建筑為樣本，對上海地區(qū)大型公共建筑內(nèi)的配電變壓器選配及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)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(xiàn)象，同時配置方案調(diào)節(jié)靈活性不高。直接的不利因素是設(shè)備初始投資和后期運(yùn)行費(fèi)用都偏高。

（2）大型公共建筑變壓器實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率偏低，且只有少數(shù)建筑運(yùn)營管理者采取季節(jié)性報停等運(yùn)營管理措施，導(dǎo)致變壓器長時間處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況下，設(shè)備使用效率不高。

（3）對應(yīng)電價政策，高容量、低負(fù)載的現(xiàn)象導(dǎo)致建筑用戶用電成本上升。

（4）變壓器三相電流不平衡現(xiàn)象比較嚴(yán)重，設(shè)備損耗上升，存在安全隱患。

3.2 改進(jìn)優(yōu)化建議

基于上述普遍存在的變壓器運(yùn)行問題，對既有建筑而言鑒于已掌握的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可以采取的針對性措施如下。

（1）調(diào)整優(yōu)化二級配電，確保變壓器負(fù)荷的平穩(wěn)，保證每臺變壓器長期處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間；

（2）實(shí)時掌握變壓器各相負(fù)荷分配及其實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)，保證三相供電平衡，發(fā)生業(yè)務(wù)或設(shè)備調(diào)整時，及時測量與調(diào)整；

（3）保證無功補(bǔ)償裝置的有效性，盡量做到功率因數(shù)95%以上；

（4）季節(jié)變換或業(yè)務(wù)重大調(diào)整時，做好用電負(fù)荷的預(yù)測算，合理增減容、季節(jié)性報停、每月需量申報與運(yùn)行監(jiān)控等運(yùn)行管理工作；

（5）如果具備經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性，不排除變壓器設(shè)備改造或替代。具體測算參照《DL/T 配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價導(dǎo)則》進(jìn)行。

對于新建建筑，在規(guī)劃、設(shè)計與建設(shè)階段時，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)。

（1）請設(shè)計院和施工單位配合建筑開發(fā)商做好用電負(fù)荷的合理規(guī)劃和預(yù)測算，綜合項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際的各項(xiàng)約束條件和需求，平衡初期投資與長期運(yùn)行費(fèi)用，配備適宜的變壓器型號、裝機(jī)容量，控制冗余幅度；

（2）對季節(jié)性大用電負(fù)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(diào)容變壓器，提高后期運(yùn)行的調(diào)配靈活性。

INFORMATION AND DYNAMIC

節(jié)能信息與動態(tài)

黃浦區(qū)部署2017年能源審計工作

根據(jù)黃浦區(qū)2017年節(jié)能減排工作計劃，今年將對15家單位進(jìn)行能源審計。為推進(jìn)能源審計工作，8月4日，區(qū)節(jié)能辦組織召開2017年能源審計工作布置會，領(lǐng)展企業(yè)廣場、上海避風(fēng)塘美食有限公司等被審計單位相關(guān)負(fù)責(zé)人參加會議。

會上，區(qū)節(jié)能辦介紹了能源審計工作的意義和今年實(shí)施計劃，第三方審計單位介紹了能源審計的內(nèi)容和需要單位配合事項(xiàng)。被審計單位表示能源審計工作有助于降低企業(yè)用能成本，挖掘節(jié)能潛力，將積極配合做好相關(guān)工作。

（區(qū)發(fā)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