变压器节能-重庆公共建筑节能改造技术手册

1）基本概况

变压器是从输电到配电，电力系统不可缺少的电气设备，因其数量多、容量大，所以在广义电力系统中，变压器总的电能损耗占发电量的10%左右。对全国来说，这意味着全年变压器总的电能损耗为1 000多亿kW·h，这相当于一个较大电力系统的发电量。变压器损耗占电力系统线损的50%左右，在农电系统中变压器损耗占农电网中损耗的60%～70%。电力变压器的电能节约，一方面，从选用节能低损耗的新型变压器和合理选择电力变压器容量来考虑；另一方面，从实行电力变压器的经济运行和避免变压器的轻负荷运行着手。

（1）节能变压器的能效标准

《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》GB 50052定义了节能型变压器，满足该标准配电变压器能效限定值就是节能型变压器。

本标准适用于三相10 kV，无励磁调压额定容量30～1 600 kVA的油浸式和额定容量30～2 500 kVA干式配电变压器。本标准不适用于充气变压器。

对于变压器来说，减少变压器上的电能损耗，首先是要选择空载损耗低、节能型的变压器，可以选用S9、SL9、SC8型油浸变压器或干式变压器，这些变压器采用优质冷轧取向硅钢片，钢片的磁畴方向一致加上45°全斜接缝结构，能够有效减少铁芯的涡流损耗以及漏磁损耗。对于高层、地下建筑、化学工业厂等场所及对消防要求较高场所，宜采用低损耗节能型干式电力变压器（SG10、SG11、SC6等系列）。如果电网电压波动较大，宜采用有载调压电力变压器。

（2）变压器的选择原则

①按变压器效率最高时的负荷率（或负载率）选择变压器容量，负荷率越大，变压器容量越小，一次投资越经济。

式中　R——变压器损耗比；

P0——变压器的空载损耗，即铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗，W；

Pk——变压器的额定负荷损耗，即铜损或称为短路损耗，表示负荷电流通过变压器绕组是在电阻上的损耗，铜损与负荷电流的平方成正比，W；

Pjs——建筑物的计算有功功率，kW；

cosφ——补偿后的平均功率因数，一般不小于0.9；

β——变压器的负荷率；

Se——变压器额定容量，kVA。

一般地，变压器效率最高时的负荷率在0.5～0.6。

②按年有功电能损耗率最小时的节能负荷率计算容量。

式中　Tb——变压器年投运时间，取7 000～7 500 h；

τ——年最大负荷损耗时间，公共建筑的　值可取2 300～4 500 h；将数据代入式中，βj＝1.3～1.8，βm＝0.65～0.9。

结论：变压器负荷率为65%～90%时，变压器有功电能损耗率最小。

此方法适用于不同企业性质和生产班制及负荷曲线的场所，是一种较节能的选择方法。按照变压器年电能损耗最小和运行费用最低，并综合考虑变压器装设的投资来确定变压器安装容量，才是经济合理的。

③利用计算负荷法估算。先求出变压器所要供电的总计算负荷，然后按照下式估算：

（3）变压器的经济运行和降低损耗措施

经济运行，是指能使整个电力系统的有功损耗最小，能获得最佳经济效益的设备运行方式。根据供电系统的供电情况和各类用户用电规律，合理地安排用户的用电时间，鼓励低谷用电，压低高峰用电，可以大大节约变压器电能损耗。同时，也可以节约线路和整个电网的损耗，达到节约电能的目的。

①减少变压器的有功损耗。变压器的有功损耗按下式计算：

式中　ΔP——变压器的有功损耗，kW；

P0——变压器的空载损耗，kW；

Pk——变压器的短路损耗，kW；

β——变压器的负载率。

②降低空载损耗。P0作为变压器的空载损耗，又称铁损，空载损耗是一个常数，它不随变压器的负荷变化而变化。所以，在选用变压器时最好选择节能型变压器，如S11、S10型等或非晶合金材料的干式变压器。采用非晶合金材料的干式变压器空载损耗可以降低75%，达到节能环保的效果。

以1 600 kVA变压器来比较：普通变压器一年空载损耗费用＝8 760 h×0.5元/（kW·h）×2.4 kW＝10 512元，非晶合金变压器一年空载损耗费用＝8 760 h×0.5元/（kW·h）×0.6 kW＝2 628元，一年可节约费用＝10 512-2 628＝7 884元。

③降低负载损耗。Pk又称变压器线损，它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，并与负荷率平方成正比。可以通过应选用阻值较小的绕组，如铜芯变压器来降低Pk。

变压器的损失比定义为R＝Pk/P0。因此，也可以利用损失比确定变压器的规格，相应于最佳负荷的损失比一般为2.5～6。

④选择适宜的负载率。

式中　β——变压器的负载率；

Sn——变压器额定容量；

S——变压器运行中的实际容量。

在实际运行中，建筑物的负荷曲线随时间而变化，亦即负荷率是时间的函数。因此，应力求在一段时间内变压器的平均效率接近最佳效率，才能有实际意义上的节能及提高经济效益。公共建筑的用电一般在深夜到次日凌晨是处于轻载的，在一天运行过程中负荷也有变化。因此，计算变压器装机容量时，不应按照最佳负荷率来选取，而应该略高于变压器的最佳负荷率。在单台变压器运行时，建议的取值范围为70%～80%，损失比大的变压器类型取值较损失比小的变压器类型取值低。

⑤重视变压器工作温度的影响。变压器的短路损耗受温度影响较大，工作温度越高，损耗越大。

（4）变压器的节能改造

目前，国家推广的低损耗节能S9等系列节能变压器，但从我国国情出发，由于财力物力的限制，要全部淘汰高耗能变压器是不现实的。所以，我们可以对目前企业等大量使用的SJ1/SL1等系列高能耗变压器进行节能技术改造，同样可以降低变压器损耗，提高变压器效率。

变压器的节能改造，可以分为降容、保容和增容3种形式。变压器的降容改造是目前采用的主要方法。改造原理是通过增加线圈匝数，减少铁芯磁通密度，减少变压器的单位损耗来实现。变压器的保容改造一般有4种方式：同时换铁心、线圈改造法；铝线换铜线改造法；换铁心改造法；更换心体改制法。

2）节能诊断

（1）节电量计算数据

计算数据如表7.13所示。

表7.13　变压器节电量计算数据

（2）示例

某实施配电变压器节能技改项目，将原S7型配电变压器更换为低损耗S11型配电变压器。节能量所需数据如表7.14所示。

表7.14　变压器节能技改项目实施前后参数表

统计报告期按典型月计算，假定在选取时间段中已包括了典型负荷工况。根据上表数据，可得年（8 760 h）最大节约内功率为1.58 kW。

相应的年节电量为6 347.2 kW·h。

（3）计算采用标准

①《电力变压器能效限定值及能效等级》GB 24790。

②《电力变压器经济运行》GB/T 13462。

③《变压器能效技术经济评价导则》DL/T 985。

（4）高效变压器应用节电量估算法

高效变压器应用节电量根据改造前后变压器容量、空载损耗、短路损耗、平均负载率以及变压器投运后运行月份进行计算。全年运行小时数为8 760 h。变压器容量参数如表7.15所示。

表7.15　变压器容量参数表

常见变压器负载（短路）、空载损耗如表7.16所示。

表7.16　常见变压器负载（短路）、空载损耗

续表

（5）升压改造项目节电量估算法

升压改造节电量根据升压前后线路额定电压值，升压后线路平均电流、导线电阻以及改造后线路投运运行月数进行计算，全年运行小时数按8 760 h计。节电参数表如表7.17所示。

表7.17　升压改造项目节电参数表

续表

3）主要技术

（1）节能型变压器技术

①技术背景。

变压器的电能损耗由两部分组成。其一是与运行电压有关的变压器铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，由于实际运行过程中电压变化很小，因此这一部分损耗传统称为不变损耗，又称铁损。其二是与变压器负荷有关的损耗，又称为铜损。这部分损耗随负荷的变化而变化，因此传统上称为可变损耗（此处不包括输电线路电阻中的损耗）。可变损耗的大小取决于变压器所带的负荷，而不变损耗的大小则取决于变压器铁芯材料的特性。将高损变压器更换为节能变压器，可有效降低变压器的损耗。节能变压器（非晶合金变压器）正是从变压器铁芯材料着手，通过减少铁芯损耗而降损节能的。

②技术原理。

随着我国“节能降耗”政策的不断深入，国家鼓励发展节能型、低噪声、智能化的配电变压器产品。在网运行的部分高能耗配电变压器已不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪声的变压器所取代。

A.非晶合金配电变压器。

非晶合金变压器主要是通过降低空载损耗来节能的。非晶合金变压器的铁芯是由非晶态合金材料制成的，非晶合金材料的突出特点是铁磁损耗低。与S9型变压器相比，非晶合金变压器的空载损耗可下降70%～80%，空载电流可下降约50%。因此，非晶合金变压器的运行成本低，节能效果显著。

非晶合金变压器的负载率在20%～30%时节能效率最高。随着变压器容量增大，节能效率也逐步提高，选择非晶合金变压器容量以大于200 kVA为宜。非晶合金变压器除了超低损耗特性外，还具有运转温度低、绝缘老化慢、使用寿命长、高超载能力、较好的耐谐波能力等特点。

但由于非晶合金变压器采用卷铁芯结构，变压器的容量受到机械强度的限制，目前只生产配电变压器。由于它价格高、产量低、结构比较特殊，故大范围推广受到限制，适用于安装在农网中经常处于轻载或空载运行的配电台区。

B.单相配电变压器。

我国低压配电网基本都采用三相四线制配电技术，而发达国家（尤其是美国）很重视配电电压优化，居住区、小商业区普遍采用挂杆单相变压器供电方式，直接以6 kV或10 kV高压送到用能单位，并采用小容量、密布点的方式，从而最大限度地减少低压线路长度和线损。(www.xing528.com)

单相配电变压器高压侧联结于10 kV配电网线电压上（也可采用一线一地5.77 kV），低压侧可以有两种不同的连接方式：第一，变压器高、低压侧各1个绕组，高、低压侧电压比为10 kV/0.22 kV，低压侧绕组一端为相线，另一端接地、接变压器外壳（形成一点接地），称为单相二线制；第二，变压器低压侧绕组中间抽头接地、接外壳，形成2个低压绕组，高、低侧电压比为10 kV/0.22 kV，称为单相三线制；两种连接方式如图7.14所示。

采用单相三线制方式供电时，接地线（中性线）中电流较小，当低压侧绕组的负荷分配均匀（即相线两相供应的负荷平衡）时，流过中性线的电流理论上为零。因此，当单相变压器总的输送功率相同时，采用单相三线制接线方式可比单相二线制方式减少1/4低压配电线长度；当二分路负荷平衡时，单相三线制方式可降低低压线损电量1/2，所以推荐采用单相三线制的方式。需要注意的是，在单相三线制配电方式中，为避免用户侧电压异常升高，应在单相变压器低压引出线（地线）中性点及用户侧中性点两处可靠接地。

图7.14　单相配电变压器两种联结方式

据国外配电网运行情况可知，单相变压器的应用一直较为广泛，这是因为和三相变压器相比它有其独特的优点，具体表现如下：

•结构简单。

•制作体积小，架设方便。

•工程造价相对节省。

•供电可靠性有所提高。

•节能降损效果更好。

•便于自然村散户电表（一户一表）管理。

C.调容配电变压器。

调容变压器是一种根据电网实际负荷大小，利用有载调容开关调节运行容量的变压器。

调容变压器通过两种方式实现调容：一种是高低压绕组均采用串并联变换；另一种是高低压绕组进行星角变换，低压绕组通过串并联变换。串并联变换可以实现任意容量比，并联运行性能好。高压星角变换大小容量比比较固定，基本为3∶1左右，节能效果明显，但并联运行性能差。调容变压器与同规格的S9型变压器相比，空载损耗降低30%，空载电流下降70%。对于负荷季节性差别较大的台区，采用调容变压器与新型S9型变压器相比，年运行成本可下降约45%。

调容变压器分为无载调容变压器和有载调容变压器。无载调容变压器因容量小、容量调节需停电操作影响供电可靠性、对运行管理要求较高等原因，在推广应用中受到了限制。

有载调容变压器能够在不间断供电的情况下调节容量，具有以下优点：

•解决无载调容变压器不能够带电调容的问题，保证了对用户的不间断供电。

•解决无载调容变压器调容判据不够及时、准确的问题。无载调容变压器大多是根据该变压器上个月售电量作为调容的依据，不够科学合理。有载调容变压器可根据实时采集的电气参数作为调节依据，进行及时合理的调节。

•有载调容变压器具有大小两个容量，根据实际负荷大小自动调节容量和运行方式，适用于负荷变化幅度比较大的配电台区。

D.三角形变压器。

三角形卷铁芯变压器，采用3只同形状半圆截面卷铁芯框组合成三角变压器铁芯，使三相铁芯磁路完全对称，铁腕缩短，芯柱截面为圆形，芯柱填充系数高，铁芯无接缝，磁阻大大减少，具有空载损耗低、体积紧凑、节省材料、运行噪声小等优点。

三角形变压器铁芯均在生产线上进行卷制，不需要横剪设备，消除了由人工叠片、叠装、拆插铁轭所造成的质量波动。三角形铁芯经退火处理后，能彻底消除内应力，磁路各处均无高磁阻，故空载损耗与励磁电流均可大幅下降。三角形铁芯充分发挥了高导磁冷轧硅钢片的导磁特性，经退火后，大大降低了空载损耗和空载电流。由于三角形铁芯是不间断连续绕制而成，只有几个接缝，不会产生如叠片式铁芯那样因磁路不连贯而发出的噪声，可使噪声降低到最低限度，一般可降低5～15 dB，达到静音状态。三角形铁芯是由窄到宽、再由宽到窄的连续钢带，先绕制3只横截面为半圆形的内铁芯，再把3只内铁芯立体拼装在一起，构成3个铁芯柱横截面均为圆形的R型三角形铁芯。由于三相磁路完全对称相等，铁轭的截面积为芯柱截面积的一半，降低了铁芯的重量，从而降低了成本。

③节能效果。

对节能变压器，其降损电量计算公式为：

式中　Δ（ΔWT）——T时段内由于采用节能变压器而减少的电能损失，kW·h；

P0——更换前原变压器的空载损耗功率，kW；

P0′——更换后节能变压器的空载损耗功率，kW；

T——变压器运行小时数，h。可变损耗的大小取决于变压器所带的负荷，而不变损耗的大小则取决于变压器铁芯材料的特性。

④经济分析。

确定单相变压器的供电范围时应遵循小容量、密布点原则，供电范围不宜过大。单相变压器有两种不同的供电低压布局，分别被称为多配电变压器短低压和少配电变压器长低压方案。多配电变压器布局的目的在于通过尽量缩短低压线路的长度而使损耗降到最低，使用许多小型单相变压器，都位于靠近用户的位置，这样就能尽量避免使用进户线以外的低压线路。该设计方法的用户和配电变压器的典型比例为2∶1。在少配电变压器的设计中，用户和配电变压器比例一般是10∶1，该方式与多配电变压器的设计相比，在变压器上节约了大量资金，原因是配电变压器成本由于配电变压器安装数量的减少而得到节省（与一台15 kVA的配电变压器相比，安装好的75 kVA变压器尽管容量增大了5倍，但成本很可能只是前者的2倍）；另外，这种布局又会抵消节约的成本，因为这种方式的低压线路明显变长，导致低压损耗大大增加，可能要接近中压馈线的全部损耗。

（2）配电调压技术

①技术背景。

电压是电能主要质量指标之一。电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生产和人民生活用电都有直接影响。我国电网由于受昼夜负荷、季节负荷变化，供电半径，负荷分布等因素的影响，往往会引起线路电压有较大的变化。电压过低，会造成设备出力不足或工作不正常；电压过高，又会影响用电设备的安全。因此，如何保证电压质量成为一个重要问题。根据国标《电能质量供电电压允许偏差》GB 12325的规定：35 kV供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；220 V单相供电电压允许偏差为额定电压的＋7%、-10%。随着建筑电网中电压等级的不断提高，对供电质量和供电可靠性提出了更高的要求。配电调压技术用于监测电路系统的电压变化情况，分析建筑配电系统的使用特征，已在部分建筑中进行了应用试点，效果良好。本项目在此基础上，进一步优化该技术，针对线路的电压进行调整，保证输出电路的稳定性，集成建立配电系统的调压系统，可有效改善电源品质。

电压调节也可以视为对电压的一种“补偿”。传统调压模式是主变压器根据母线电压调节，是面向电源的一种调节方式。近几年来发展的馈线自动调压器是一种只对线路调压的设备，它是面向负荷的，能在任何需要调节电压的地方安装。由于使用调压器改善电压质量工期短、见效快，近几年得到了较快的发展。在改善电压质量的同时，调压器也延长了配电系统的供电半径，有效降低了线路损耗，特别适用于建筑中电压波动大的线路。

其中，SVR馈线自动调压器是一种可以自动调节变比来保证输出电压稳定的装置。SVR馈线自动调压器可以在20%的范围内对输入电压进行自动调节，它特别适用于电压波动大的线路或压降大的线路，将这种调压器安装在馈电线路的中部，在一定范围内对线路电压进行调整，保证用户的供电电压，减少线路的线损；此外，SVR馈线自动调压器也适用于主变不具备调压能力的变电站，将这种调压器安装在变电站变压器出线侧，保证出线侧母线电压。

②技术原理。

SVR馈线自动调压器由主回路和调压控制器组成，其中主回路由三相自耦式变压器和三相有载调压分接开关两部分组成，其结构原理如图7.15所示。调压器线由并励线圈、串联线圈和控制电压线圈组成。其中，串联线圈是一个有多个抽头的绕组，这些抽头通过分接开关的不同接点串联在输入与输出之间，它是用来调节输出电压的绕组；并励线圈为调压器的公共绕组，它可以产生传递能量的磁场；控制电压线圈绕在并励线圈上，作为并励绕组的次级来提供控制器和电机工作电压以及输出测量用电压。它的工作原理是：利用串联绕组的抽头接在分接开关的不同接点上，通过控制有载分接开关档位的变化，改变输入和输出线圈的变比，实现输出电压的调整。根据不同的调压要求，一般有载开关的挡位设为7、9挡两种，用户可根据实际的调压要求进行选择。调压器原、副绕组的匝数比与变压器一致，即：

图7.15　SVR馈线自动调压器结构原理图

③运行效果。

当前公共建筑主干线普遍采用10 kV线路，因线路长且复杂，负荷较重，导致电压较低，不仅可能满足不了正常供电，而且还会使能耗增高。为了使电压达到所需要求，往往采用表7.18中的4种方式，其作用特点及缺点也可见表7.18。

表7.18　调压方案比较

在综合考虑调压措施时，因前3种措施在针对线路进行电压调节时其经济性和可行性欠佳，而馈线自动调压器在解决特定线路电压调节方面技术可行、经济实用、安装方便，因此可用于公共建筑进行调压。图7.16为某线路应用馈线自动调压器后，监控软件显示运行前后数据比较。

经过电压调节优化后，系统供电更加稳定，电压调整至10 kV左右。在线路负荷不变时，通过提高线路电压降低了线路电流，在一定程度上减小了线路损耗，达到降损节能的目的。

（3）多台变压器经济型运行技术

①技术背景。

变压器总功率损耗为：

其中铁耗P0指励磁支路的涡流损耗，与运行电压U的平方成正比。由于运行电压U在额定电压附近轻微波动，变压器铁耗近似等于变压器的空载损耗，也称为不变损耗。铜损Pk指变压器线圈的电阻损耗，铜损与运行载荷S的平方成正比。相应地，铜损随着变压器负载率的变化而变化，也称为可变损耗。上面公式中影响变压器总损耗的各因子的作用关系以及在供配电系统规划建设的不同阶段示例见表7.19。

图7.16　馈线自动调压器投入前后监控软件显示数据（左为投入前，右为投入后）

表7.19　供配电系统变压器各耗能因子的影响关系及降损示例

②技术原理。

在变压器选型时，主要考虑变压器的容量选择：如果变压器容量过小，会造成过多的铜损；反之，如果容量选择过大，则相应地增加了铁损。由此，根据变压器需要供电的载荷，结合变压器的经济负载率来反推额定容量，是供配电系统变电规划部分节能降损的重要内容。

根据负荷增长情况，应合理确定变压器的容量进行扩容。在扩容时根据《变压器能效技术经济评价导则》DL/T 985，根据变压器的技术参数、经济参数、运行参数对其进行技术经济分析，合理选择变压器容量。

将变压器的总损耗与变压器载荷相比，得到变压器运行的损耗率当且仅当变压器运行中的不变损耗和可变损耗相等时，变压器的损耗率最低。

变压器的损耗和经济负载率见表7.20。

表7.20　变压器的损耗和经济负载率

注：①该处为在额定电压下求出的经济效率。
②经济负载率还应该考虑变压器台数以及“N-1”的安全校核。

③节能效果。

A.双绕组变压器经济运行区的确定。

变压器综合功率损耗可以表示为

式中　KQ——无功经济当量，单位为千瓦每千乏，kW/kvar；

P0——变压器综合功率的空载损耗，即铁耗，单位为千瓦，kW；

Q0——变压器综合功率的额定负载功率损耗，即铜耗，单位为千瓦，kW。

双绕组变压器在运行中，其综合功率损耗率随负载系数变化而呈非线性变化，在其非线性曲线中，最低点为综合功率经济负载系数，其计算公式为：

如图7.17所示，变压器经济运行区是包括了变压器额定负载在内的较大负载范围。在这个范围的边缘，变压器损耗率与其最低损耗率相比仍然较高，因此有必要在经济运行区内确定损耗更小的优选运行段，称为最佳经济区。

图7.17　变压器综合功率运行区间划分图

变压器在75%负载运行为最佳经济运行区上限，与上限综合功率损耗率相等的另一点为最佳运行区下限。最佳经济运行区上限负载系数为βJJZI＝0.75，最佳经济运行区下限负载系数为。

B.三绕组变压器经济运行区的确定。

当三绕组变压器二次侧与三次侧绕组的负载是任意分配时，对应变压器综合功率损耗率最低点即为综合功率经济负载系数，其电源侧综合功率经济负载系数下列公式计算：

当三绕组变压器二次侧和三次侧绕组的负载是经济分配时，对应变压器综合功率损耗率最低点即为综合功率最佳经济负载系数。二次侧与三次侧绕组的负载经济分配系数的计算公式如下：

三绕组变压器电源侧综合功率最佳经济负载系数的计算公式如下：

变压器在额定负载运行为经济运行区上限，与上限额定综合功率损耗率相等的另一点为经济运行区下限。电源侧经济运行区上限负载系数为1；下限负载系数为。三绕组变压器综合功率损耗率小于1.2%的运行区为最佳经济运行区。电源侧最佳运行区上限负载系数为βJJZ1I＝1.865βJZ1，电源侧最佳运行区下限负载系数为βJJZ1II＝0.537βJZ1。

④经济分析。

在变压器能效优化时还应考虑建设成本和运行成本的影响。实际上，尽管变电站的建设成本很高，但是与变压器容量参数有关的边际成本并不大，即变压器容量的大小对整个变电站的影响甚微。由此，考虑到变电站的建设成本后，变压器经济负载率仅略有增加。

同样，变压器与容量相关的边际运行成本也不大，可忽略不计。对于那些收取基本容量电费的用户专用变压器，从用户自身角度出发，对变压器的经济负载率有较大的影响，甚至超过了100%。但是，从全社会角度出发，负载率过高造成了变压器自身能效的降低，同时也缩短了变压器的寿命。