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摘要：本文根据我国绿色发展，健全绿色低碳循环发展经济体系的策略，结合民用建筑用电情况以及配电的特点，提出了正确选择和使用变压器的要素，总结出变压器节能经济运行的方法。
关键词：电力变压器；绿色节能；运行方式；节能方法
概述
近年来，新建的民用建筑如雨后春笋般涌现；民用建筑体量越来越大，建造速度越来越快，各类新建建筑的用电量也与日俱增；电力变压器是供配电环节中重要的一环，影响到整个民用建筑配电系统的运行，如何正确选择、经济运行变压器是民用建筑设计中需要重点考虑的部分，是绿色建筑的重要考核指标，也符合十九大全面深化绿色发展的要求。
一、变压器的选型
常用的 10kV 配电变压器按其绝缘介质的不同，可分为油浸式变压器、六氟化硫变压器、干式变压器等几种型式。而民用建筑中变压器一般均设在建筑物内部。
油浸式变压器由于存有大量可燃油品，发生故障产生电弧时，将使变压器内的绝缘油迅速发生热分解，析出氢气、甲烷、乙烯等可燃气体，极易与空气混合行程爆炸性混合物，在电弧或火花的作用下极易引起燃烧爆炸。《建筑设计防火规范》GB50016-2014中，对有可燃性油的电气设备在民用建筑内部的使用均有比较严格的条件限制；当油浸式变压器室需要贴邻民用建筑布置或布置在民用建筑内时，对房间的耐火等级以及设置的楼层位置都有严格要求，除此之外还应设置防止油品流散设施和事故储油设施，并设置火灾自动报警系统；
民用建筑中，采用油浸式变压器不但前期投入大，后期保养维护工作也很繁多，并且有爆炸危险，会影响到建筑物内人员安全，所以在民用建筑中宜选用干式或六氟化硫变压器作为配电变压器。而上述两种变压器中，干式变压器由于其体积小、价格低、难燃、使用及维护方便以及无毒等优点，在民用建筑中被普遍采用。
二、变压器结线组别的确定
Y，yn0绕组接线主要适用于三相负荷基本平衡，其低压中性线电流不致超过低压绕组额定电流25%时。供电系统中谐波干扰不严重时，也可以采用Y，yn0绕组接线。
D，yn11绕组接线主要适用于单相不平衡负荷引起的中性线电流超过变压器低压绕组额定电流25%时。供电系统中存在着较大的谐波源，3n次谐波电流比较突出的时候。具有输出电压质量高、中性点不漂移、防雷性能好等特点。在变压器低压侧三相负荷不平衡时，由于零序电流和三次谐波电流可以在高压绕阻的闭合回路内流通，每个铁心柱上的总零序磁势和三次谐波磁势几乎等于零，所以低压中性点电位不漂移，各项电压质量高；同样由于雷电流也可以在高压绕阻的闭合回路内流通，雷电流在每个铁心柱上的总磁势几乎等于零，消除了正、逆变换过电压，所以防雷性能好。但存在非全相运行问题，可采取在低压主开关加装欠压保护装置。
总体上来说：D，yn11联结变压器的零序阻抗比Y，yn0接线变压器小得多，有利于低压单相接地短路故障的切除。D，yn11接线变压器允许中性线电流达到相电流的75%以上，而Y，yn0绕组接线变压器对中性线电流的限值比D，yn11接线变压器要小的多。在民用建筑的低压配电系统中，由于存在大量单相用电负荷，造成三相负荷不平衡，三相电流不对称，配电变压器的阻抗压降不对称，中性线电流可能时候会超过Y，yn0绕组接线变压器的要求；另外中性点漂移，会导致设备只能控制在最大一项负荷电流运行，使变压器出力降低；中性点电流增加会产生零序磁通，使变压器发热甚至烧毁变压器，中性点对地出现较高电压容易发生触电事故。
国家规范《供配电系统设计规范》GB50052-2009规定：“在系统接地型式为 TN 及 TT的低压电网中，当选用Y，yn0接线组别的三相变压器时，其由单相不平衡负荷引起的中性电流不得超过低压绕组额定电流的25%，且其一相的电流在满载时不得超过额定电流值；” “为控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变率，应选用D，yn11接线组别的三相配电变压器；”《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008也明确：“供电系统中，配电变压器宜选用D，yn11接线组别的变压器”。
而对于设有用户变电所的一般民用建筑，其低压系统接地型式大多采用 TN 系统，低压配电系统中单相负荷较多，末端各相负荷大小不一，不易平衡，所以民用建筑中变压器的结线组别应优先考虑采用 D，yn11 结线组别。
三、变压器调压方式的选择
变压器调压是通过调压开关调接变压器一侧绕组的分接头来改变绕组的匝数，达到改变输出电压的目的。变压器的调压分为无载调压和有载调压两种。无载调压需要在停电情况下调压，不利于供电的连续性、可靠性，故在民用建筑中很少使用无载调压变压器。
有载调压变压器能够有效调整电网以及供电母线电压，保证对用户的供电电压质量。然而变压器配置有载调压分接头，降低了变压器运行的可靠性。带负荷调节电压的分接头，不仅自身不可靠，同时还增加了变压器整体设计的复杂性。此外，有载调压变压器由于带负荷调整电压，不可避免地产生电弧，有时还会引起误动作或误发信号。因此，大变压器配置了有载调压分接头，会对变压器的可靠运行造成了一定的影响。另外，有载调压变压器体积上要比同容量的变压器大，不仅增加了变压器的投资，同时也增加了运行维护费用。
随着地区负荷变化，如果没有配置有载调压变压器，供电母线电压将随之变化。因此，对110 kV及以下变压器，宜考虑至少有一级电压的变压器采用有载调压方式。民用建筑变压器是供配电系统最末端环节，电力变压器的选择应该保证供电的可靠性，在民用范畴内，有载调压变压器宜慎用。只有在电压偏差不能满足要求时，且用电单位有对电压要求严格的设备，单独设置调压装置在技术经济上不合理时，可采用10（6）kV有载调压变压器。
四、变压器台数的确定
变压器台数主要根据负荷性质和用电情况、环境条件、运营方式确定，并应选择低损耗、低噪声变压器；
1.按负荷等级及大小选择变压器；
变压器容量根据计算负荷选择，变压器长期负荷率不应大于85%。对于有一、二级负荷建筑，宜设置两台变压器分别设置低压母线段，才能满足一、二级负荷两路电源供电的需求。
2.电力和照明一般由公用的变压器供电，若公用变压器严重影响照明质量和灯泡寿命时，可设置照明专用变压器；
3.根据负荷特点和经济运行选择
当有大量一级或二级负荷，或者季节性负荷变化大时或者集中负荷较大时宜装设两台及以上变压器；
1、如冲击负荷较大，严重影响电能质量时，应设置专用变压器为冲击性负荷供电；
2、季节性负荷容量较大时，如大型民用建筑中的空调冷冻机等负荷可设置专用变压器。
电力变压器使用率高，故障率也高，检修对时间的要求高，民用建筑内的变压器宜两两成组设置，采用单母线分段接线，任意一台变压器故障检修时，可以断开变压器主开关，合上母联开关，由另一台变压器承担检修期间重要负荷，尽可能保证供电连续性。
五、变压器继电保护
电力变压器是供电系统中重要的电力设备，它的故障会对供电可靠性、系统的安全运行产生严重的影响；同时，配电变压器是配电系统中贵重设备，因此，应根据变压器容量等级和重要程度装设性能良好、动作可靠的继电保护装置。
继电保护和自动装置的设计应以合理的运行方式和可能的故障类型为依据，并应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性四项基本要求。电力变压器一般装设如下保护：
a，反应油箱内部故障和油面降低的非电量保护，又称瓦斯保护；
b，反应变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护；
c，作为变压器外部相间短路和内部短路的后备保护的过电流保护
d，反映中性点直接接地系统中外部接地短路的变压器零序电流保护
e，反映大型变压器过励磁的变压器过励磁保护及过电压保护；
f，变压器过负荷保护，非全相保护；
建筑内一般选用干式变压器，并且变压器容量不宜超过2500kVA，故不存在油浸的问题，所以不需要瓦斯保护，但是需要加上两个层次的温度保护，低温报警和高温跳闸；另外，对于10（6）kV系统采用中性点经小电阻接地方式时，应设置零序速断保护，零序保护装置动作于跳闸，其信号应接入事故信号回路。
六、变压器经济运行方式
变压器经济运行方式通过择优选取变压器参数，负载调整的优化，变压器运行位置的优化组合以及改善变压器运行条件等技术措施，从而最大地降低变压器的电能损耗和提高其电源侧功率因数。
变压器经济运行与否，是由所带负荷大小、本身能耗的功率以及变压器在磁化过程中引起的空载无功损耗、绕组电抗中的短路无功损耗等因素决定的。
1，变压器损耗
变压器损耗主要有空载损耗、负载损耗、介质损耗和杂散损耗。其中介质损耗和杂散损耗相对较小，可以忽略不计。
1）变压器的空载损耗主要是铁芯损耗，由磁滞损耗和涡流损耗组成，也称为铁损。导磁材料的发展，促进了导磁材料加工设备的现代化；从热轧硅钢片、冷轧晶粒取向硅钢片到非晶合金，随着高牌号电工钢带的应用，单位重量空载损耗迅速降低，国产钢带在磁通密度1.7T下约为0.85W/kg，非晶合金铁芯更可达1.2T以下小于0.2 W/kg的水平。
变压器的额定空载有功损耗P0可查询变压器样本；额定空载无功损耗Q0为：
式中 Q0---变压器在空载时的无功损耗，kvar；
I0%---变压器空载电流百分数；
Srt----变压器额定容量，kVA；
空载损耗是固定损耗，与挂网时间有关，不随负载变化。
2）变压器额定负载有功损耗PK可查变压器样本；变压器额定负载无功损耗Qk为：
式中 Qk---变压器额定负载时的无功功率，kvar；
Uk%---变压器额定短路阻抗电压百分数；
Srt----变压器额定容量，kVA；
Q0---变压器在空载时的无功损耗，kvar；
负载损耗主要为负载电流通过绕组时的损耗，也称为铜损，其值与负载电流的平方成正比。负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗，并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。负载损耗还受变压器温度影响，故变压器必须要有冷却措施以降低负载损耗。
3）计算负荷下的变压器有功损耗及无功损耗。计算负荷下的变压器有功损耗为
△P=P0+β2 PK
计算负荷下的变压器无功损耗
△Q=Q0+β2 QK
变压器综合有功损耗为：
∑P=P0+β2 PK+ KQ Q0+ KQβ2 QK= P0+ KQ Q0+β2（PK+ KQ QK）
变压器负载率为
其中 △P---变压器有功功耗，kW；
△Q---变压器无功功耗，kvar；
Pk ---变压器额定负载有功损耗，kW；
P0 ---变压器空载损耗，kW；
P2 ---变压器二次侧输出功率，kW；
Qk---变压器额定负载时的无功功率，kvar；
Uk%---变压器额定短路阻抗电压百分数；
Srt----变压器额定容量，kVA；
Cosθ2----变压器功率因数；
KQ ----无功经济当量，kW/kvar；
无功经济当量是变压器的无功损耗对网络造成的有功损耗系数，按变压器在电网中的位置取值；一般民用10kV配电变压器的取值范围为0.05≤KQ≤0.1；
配电变压器的能效限定值，是在规定测试条件下，空载损耗值和负载损耗值的允许最高限值。10kV电压等级额定容量30~1600kVA油浸式配电变压器和额定容量 30~2500kVA干式配电变压器能效等级按照GB20052-2013<<三相配电变压器能效限定值及能效等级>>规定，能效等级分为3级，1级能耗最低，3级能耗最高。在选择变压器时应选择空载损耗和负载损耗值为2级或1级的变压器。该损耗是衡量变压器节能的重要指标，对变压器产品的选择有着重要的指导意义。设计中在选择变压器参数时必须要达到GB20052-2013中能效等级的要求，从工程设计第一关对变压器设备的节能质量进行把控。
2，变压器经济运行
变压器经济运行旨在降低变压器的有功功率，提高其运行效率，即降低变压器损耗率，以及降低变压器的无功功率损耗和提高变压器电源侧的功率因素。
根据变压器空载损耗、负载损耗、介质损耗和杂散损耗等特点以及不同售电单价的变压器年运行费用情况得知，同型号、同容量的变压器负载率越高，变压器年综合损耗及年运行费用也越高，售电单价越高，年运行费用也越高。在相同容量下选择的变压器容量越大，变压器综合损耗越小，为损耗所支出的运行电费也相应减少，但变压器投资会相应增大，因此，选择变压器的容量的时候，应该综合考虑以上因素。
简单的采用经济负荷率选择变压器容量的方法并不全面，特别是按照铜损等于铁损得出的所谓经济负荷率是不合理的。这种做法没有考虑售电单价的高低、负荷性质的差别、变压器运营状况的变化，应予以摒弃。
民用建筑配电变压器节能运行中，配电变压器能效技术经济评价是一种用于分析和比较配电变压器能效的技术经济评价方法，目的是为了指导配电变压器用户从经济角度更加科学直观的了解、评判变压器的节能效益，综合考虑了变压器价格、损耗、负荷特点、电价等技术经济指标对变压器经济性的影响，正确选择更为经济、合理的配电变压器。
3，变压器容量选择
电力变压器作为电力系统电压变换的主要设备，被广泛应用于输电和配电领域，变压器容量的选择直接影响到电网的运行和投资。
根据以上分析，负载损耗和变压器容量、负荷率和运行电网环境有关，是可变损耗；在变压器经济运行中，变压器容量的选择要综合考虑计算负荷和负载率等因素。设计过程中对用电单位负荷性质，负荷持续时间应有准确预计；
民用建筑变电所内变压器一般两两成组供电，当其中一台变压器故障，或者一路电源故障时，另一台变压器应该能够负担全楼一级、二级负荷；民用建筑中配电变压器容量的选择应充分考虑到这一点，准确计算建筑物中一级、二级负荷，既要兼顾一、二级负荷供电的可靠性，也要考虑到变压器经济运行等因素，合理选用变压器容量。
结语
我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段；绿色节能是永续发展的必要条件和人民对美好生活向往的重要体现，只有坚持绿色发展，才能建设美丽中国、解决人与自然和谐共生问题。
民用建筑电力变压器是配电网络中重要的设备之一，对整栋建筑低压配电系统的节能运行有起着举足轻重的作用，从设计之初对变压器设置位置，台数以及各项参数进行把控是绿色节能要求的第一步也是最重要的一步。大部分电力变压器都在自然状态下运行，而恰恰又受到某些传统错误观点和习惯性错误做法的影响，导致现在运行的变压器及输配电线路大都不是经济运行方式。对于变压器的经济运行应根据变压器现有的技术参数结合实际负荷情况及现场情况，选择合理的变压器运行方式及变压器容量，以便能够实现变压器的经济运行，减少变压器的有功功率损耗。
参考文献：
[1] 公安部天津消防研究所，公安部四川消防研究所.GB50016-2014 建筑设计防火规范.北京：中国计划出版社，2014.
[2] 中国建筑东北设计研究院 JGJ16-2008 民用建筑电气设计规范 北京：中国建筑工业和出版社，2008
[3]中国联合工程公司 GB50052-2009供配电系统设计规范.北京：中国计划出版社，2010.
[4] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用供配电设计手册 第三版 北京：中国电力出版社，2005.
论文作者:刘闵
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/7/9
标签：变压器论文; 负荷论文; 民用建筑论文; 绕组论文; 负载论文; 电流论文; 容量论文; 《电力设备》2018年第1期论文;