陳 校

(北京市建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，北京100045)

1 引言

筆者負(fù)責(zé)某援外政府辦公樓的電氣設(shè)計工作，由于項目性質(zhì)異常重要，當(dāng)?shù)毓?jié)能考核指標(biāo)嚴(yán)格，設(shè)計時還需考慮建筑物落成后的運營維護(hù)成本，因此，筆者對其變電室低壓系統(tǒng)用電負(fù)荷進(jìn)行了全面分析，并通過綜合能效費用法(TOC方法)進(jìn)行計算，比對了常用的SCB10干式變壓器及SCBH15非晶合金變壓器的經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)，作為后續(xù)選擇變壓器的依據(jù)。

2 項目概況

2.1 電源情況及低壓主接線

本項目設(shè)有一座22/0.4kV獨立變電所。受援國負(fù)責(zé)將兩路獨立22kV中壓外線埋地引入中壓配電室內(nèi)。變電所內(nèi)設(shè)置2臺干式變壓器分列運行，正常運行時各帶50%負(fù)荷，一路電源故障時，另一路帶全部負(fù)荷。根據(jù)當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定情況及外方使用要求，設(shè)置2臺常用功率為1 000kVA柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)作為備用電源，在市電故障時提供本項目全部負(fù)荷用電保障。

本項目所有消防設(shè)備、廣播及會議系統(tǒng)、安防設(shè)備、應(yīng)急疏散照明、辦公區(qū)用電、電梯、弱電系統(tǒng)機(jī)房、轉(zhuǎn)播電源、生活泵、污水泵為一級負(fù)荷，其中會堂及接見廳照明、電聲、錄像及計算機(jī)系統(tǒng)用電為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷；空調(diào)用電為二級負(fù)荷；噴水池及景觀照明為三級負(fù)荷。

本項目低壓主接線方案示意圖如圖1所示。

圖1 低壓主接線方案

2.2 用電負(fù)荷統(tǒng)計及計算表

本工程總負(fù)荷容量為Pe=2 607kW，其中一級負(fù)荷為Pe=1 422kW,二級負(fù)荷為Pe=1 110kW，三級負(fù)荷為Pe=75kW，消防負(fù)荷為Pe=238.5kW。

負(fù)荷計算表如表1、表2和表3所示。

由表1、表2和表3可以看出，本工程擬選用2臺1 600kVA變壓器，1#變壓器正常運行負(fù)荷率為45.6%，2#變壓器正常運行負(fù)荷率為43.5%，1臺變壓器故障時，外方使用要求另1臺變壓器帶本工程全部一、二、三級負(fù)荷進(jìn)行計算，負(fù)荷率為94.6%。關(guān)于變壓器容量選擇是否合理，以及對于目前常用的SCB10環(huán)氧樹脂澆注三相干式變壓器及SCBH15低損耗非晶合金變壓器到底選擇哪一種，筆者將根據(jù)本項目實際情況，綜合考慮變壓器負(fù)荷率、價格、損耗、負(fù)荷特點、電價等技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行能效評價，作為下一步設(shè)計依據(jù)。

表1 1#變壓器正常運行時負(fù)荷計算表

表2 2#變壓器正常運行時負(fù)荷計算表

3 配電變壓器選擇和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價

3.1 基本概念及公式

1)變壓器的效率η

式中，P2為負(fù)載功率；ΔP為有功損耗(包含鐵損與銅損)；cosφ為負(fù)載功率因數(shù)；β為負(fù)載率；SN為變壓器額定容量；Po為變壓器的空載損耗；PK為變壓器的短路損耗。

為了求出最佳變壓器負(fù)載率，利用高等數(shù)學(xué)的方法對上式求一次導(dǎo)數(shù)，并令其等于零。dη/dβ=0時，得出：

β2PKSNcosφ-POSNcosφ=0

求出不考慮變壓器的無功損耗時，變壓器運行效率最大時的有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率βmp，

(1)

變換此公式，得：

由上式不難看出，變壓器的不變損耗(鐵損)等于變動損耗(銅損)時，變壓器的運行效率最高。

2)根據(jù)《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運行》(GB/T 13462-2008)關(guān)于變壓器經(jīng)濟(jì)運行區(qū)確定方法的相關(guān)要求，變壓器運行在經(jīng)濟(jì)運行區(qū)下限(即大馬拉小車)時的臨界負(fù)載率βLp為：

(2)

3)綜合能效費用法(TOC方法)

對配電變壓器進(jìn)行能效經(jīng)濟(jì)評價，可采用綜合考慮其初始投資和在其經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)將要支付的電能損耗費用的綜合能效費用法(TOC方法)。

配電變壓器綜合能效費用的計算表達(dá)式為:

TOCefc=CI+Poefc+Pkefc=

CI+A(Po+KqQo)+B(Pk+KqQr)

Qo≈Sr(Io%)/100

Qr≈Sr(Uk%)/100

式中，CI為配電變壓器初始費用，A(Po+KqQo)為變壓器空載損耗的等效費用，B(Pk+KqQr)為變壓器負(fù)載損耗的等效費用。A值除與變壓器的壽命期和此期間利率等有關(guān)外，還與電價有關(guān)。B值除與前述A值的相關(guān)因素有關(guān)外，還與變壓器所帶負(fù)荷的負(fù)載特征有關(guān)。其計算公式如下：

表3 1臺變壓器故障時負(fù)荷計算表

A=kpv·(Ee·Hpy+Ec×12)

kpv={1-[1/(1+i)]n}/i

式中，CI為配電變壓器初始費用，新建項目為設(shè)備價格(元)；Poefc為變壓器空載損耗的等效費用，(元)；Pkefc為變壓器負(fù)載損耗的等效費用，(元)；A為變壓器壽命期間單位空載損耗的資本費用，(元/kW)；B為變壓器壽命期間單位負(fù)載損耗的資本費用，(元/kW)；Po為變壓器空載有功損耗(鐵損)，(kW)；Kq為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，一般取0.1kW/kVar，(kW/kVar)，；Qo為變壓器空載時的無功損耗，(kVar)；Io%為變壓器空載電流占額定電流的百分值，(%)；Sr為變壓器的額定容量，(kVA)；Pk為變壓器負(fù)載有功損耗，(kW)；Qr為變壓器額定負(fù)荷時的無功損耗增量，(kVar)；Uk%為變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分值，(%)。kpv為貼現(xiàn)率為i、使用壽命為n年的限值系數(shù)；Ee為單位電度電費，(元/kWh)；本工程地處東南亞某市，其運行電費為0.118 4USD/h，約合人民幣0.75元/h。Ec為單位容量電費，(元/kW·月)；Hpy為變壓器年帶電小時數(shù)，通常為8 760h；β0為變壓器的初始負(fù)載率。本工程初始負(fù)載率依據(jù)負(fù)荷計算表內(nèi)數(shù)據(jù)，取為46%；τ依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》選擇，城市生活計算值為1 250h。

3.2 有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率比對

筆者依據(jù)某廠家提供的變壓器技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，SCB10環(huán)氧樹脂澆注三相干式變壓器及SCBH15低損耗非晶合金變壓器的有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率及臨界負(fù)載率如表4和表5所示。

表4 SCB10環(huán)氧樹脂澆注三相干式變壓器技術(shù)參數(shù)及經(jīng)濟(jì)負(fù)載率

注：運行效率最高時有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率采用上文公式1計算，經(jīng)濟(jì)運行區(qū)下限時的臨界負(fù)載率采用上文公式2計算。

表5 SCBH15低損耗非晶合金變壓器技術(shù)參數(shù)及經(jīng)濟(jì)負(fù)載率

注：運行效率最高時有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率采用上文公式1計算，經(jīng)濟(jì)運行區(qū)下限時的臨界負(fù)載率采用上文公式2計算。

由上述計算結(jié)果可見，容量1 600kVA的SCB10環(huán)氧樹脂澆注三相干式變壓器在有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率為46%時運行效率最高，其處于經(jīng)濟(jì)運行區(qū)下限時的臨界負(fù)載率為21%。而容量1 600kVA的SCBH15低損耗非晶合金變壓器在有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率為25%時運行效率最高，其處于經(jīng)濟(jì)運行區(qū)下限時的臨界負(fù)載率為6%。

近年來各種系列低損耗電力變壓器已得到廣泛應(yīng)用，在節(jié)省電能和運行費用方面，已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效果。目前變壓器本身的額定效率已經(jīng)很高，一般中小型變壓器額定效率都在96%以上。但很多場合，出現(xiàn)了由于變壓器的配置和運行不合理，致使變壓器的實際運行效率并不高的問題。當(dāng)變壓器的負(fù)載率過低或過高時，變壓器自身的總消耗在變壓器總輸入能量中所占的比例上升，導(dǎo)致實際運行效率下降。

受過去傳統(tǒng)習(xí)慣的影響，很多設(shè)計師及審圖人員在變壓器選擇和運行問題上尚存在一些誤區(qū)，這導(dǎo)致在變壓器實際應(yīng)用中有不小的電能浪費的問題。例如變壓器的最高效率出現(xiàn)在75%負(fù)載率左右，變壓器負(fù)載率低于30%為大馬拉小車等觀點沒有計算依據(jù)，且由上文可知，不同系列、不同參數(shù)的變壓器有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率、臨界負(fù)載率數(shù)值也不相同。因此，本工程設(shè)置的2臺1 600kVA變壓器，正常運行時負(fù)載率為43%～46%，故障運行時負(fù)載率為94.6%，選擇尚合理。

3.3 綜合能效費用法比對

根據(jù)上文介紹的綜合能效費用法(TOC方法)，筆者以變壓器使用壽命為10年及20年分別統(tǒng)計了變壓器在其經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)將要支付的電能損耗費用，并考慮了其初始投資，力圖從經(jīng)濟(jì)角度更加科學(xué)地了解、評判變壓器的節(jié)能效益。援外項目與國內(nèi)項目有所差異，受援國在關(guān)注節(jié)能效果的同時，還非常關(guān)注長期承擔(dān)大型設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)和定期大修的可行性及便利性。

由表6可知，按照本工程負(fù)荷計算表中正常運行時負(fù)載率為46%分析綜合能效：非晶合金變壓器在10年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)綜合能效費用為1 159 274元，較常用的SCB10變壓器高14%。在20年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)綜合能效費用為1 251 557元，較常用的SCB10變壓器高2.4%。

非晶合金變壓器產(chǎn)品損耗低，節(jié)能效果顯著，額定空載損耗僅為SCB10變壓器的30%左右。

表6 變壓器綜合能效費用比較表

若忽略初投資不計，非晶合金變壓器在10年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)運行費用較常用的SCB10變壓器低7%，在20年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)運行費用較常用的SCB10變壓器低17%。

帶著上述理論比對結(jié)果，筆者到受援國進(jìn)行考察。由于本項目地處東南亞，受援國大型配電產(chǎn)品主要從周邊發(fā)達(dá)國家、我國云南等地采購，日常維護(hù)保養(yǎng)一般能夠自行承擔(dān)，但定期大修均要從上述國家維修站點派出專業(yè)技術(shù)人員。因此，大型設(shè)備選型時在維修便利性方面不存在優(yōu)劣之差，選擇非晶合金變壓器不存在地區(qū)障礙。因此筆者認(rèn)為，本工程在綜合能效費用相差不多的情況下，宜優(yōu)先選用節(jié)能產(chǎn)品，在節(jié)能降耗的同時滿足使用方降低變壓器運營成本的期望。

4 變壓器經(jīng)濟(jì)運行與我國現(xiàn)行兩部制電價的不協(xié)調(diào)

本工程后期運行費用構(gòu)成比較簡單，但將目光轉(zhuǎn)向我國，推動變壓器經(jīng)濟(jì)運行還略有難度。我國供電部門對大工業(yè)企業(yè)實行的電價制度為兩部制電價，即將電價分成基本電價與電度電價兩部，基本電價是按照工業(yè)企業(yè)的變壓器容量或最大需用量作為計算電價的依據(jù)，由供電部門與用電部門簽訂合同，確定限額，每月固定收取，不以實際耗電數(shù)量為轉(zhuǎn)移；電度電價，是按用電部門實際耗電度數(shù)計算的電價。

某文獻(xiàn)曾以2臺1 000kVA變壓器為例，若以2臺變壓器經(jīng)濟(jì)運行為出發(fā)點，則2臺變壓器應(yīng)并聯(lián)運行。若以節(jié)約基本電費為出發(fā)點，則應(yīng)停用其中一臺變壓器，僅用一臺供電。經(jīng)計算，采用經(jīng)濟(jì)運行方式雖然變壓器年損耗電費可減少5 443.49元，但為此要多付出基本電費12萬元。這兩種運行方式下每年基本電費的差值與變壓器電能損耗電費的差值相差過于懸殊，因此在這種情況下，更多用戶會采用較小容量的變壓器日常運行，以節(jié)約基本電費。這就客觀導(dǎo)致了整個配電網(wǎng)絡(luò)的損耗增加，國家大量的電能被浪費掉。因此，在我國順利推廣變壓器經(jīng)濟(jì)運行，應(yīng)先行解決現(xiàn)行的電價制度、國家節(jié)能指導(dǎo)思想和用戶的實際供電三者之間的矛盾，將變壓器容量選擇的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性統(tǒng)一起來[4]。

5 結(jié)束語

在能源短缺的時代，無論供配電系統(tǒng)或用電設(shè)備，都存在著巨大的節(jié)能潛力。作為年輕一代的電氣設(shè)計師，應(yīng)把合理設(shè)計供配電系統(tǒng)，選用節(jié)能產(chǎn)品，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行作為首要任務(wù)。節(jié)能降耗是設(shè)計師擔(dān)負(fù)的社會責(zé)任，要具體落實在行動上。在選用節(jié)能產(chǎn)品要增加初始投資的尷尬局面下，就要求我們學(xué)會通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)的相關(guān)知識進(jìn)行科學(xué)論證，具體問題具體分析。

本文希望有助于設(shè)計人員進(jìn)行變壓器選型比對。由于時間緊張、水平有限，本文可能還存在著一些問題，有待于在今后的實踐中進(jìn)一步研究和完善。

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院等編.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] 姚福來，張艷芳等.電氣節(jié)能控制方法與實踐[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[3] 注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)教材編委會. 注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)考試復(fù)習(xí)指導(dǎo)書.供配電專業(yè)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4] 向明華,談變壓器的經(jīng)濟(jì)運行與現(xiàn)行兩部制電價的矛盾[J].節(jié)能，2000年(7).