基于建筑分项计量数据的变压器运行状况分析和对策

秦宏波 金 俭.上海市能效中心 .上海延华智能科技（集团）股份有限公司

基于建筑分项计量数据的变压器运行状况分析和对策

秦宏波1金 俭2
1.上海市能效中心 2.上海延华智能科技（集团）股份有限公司

选取上海地区实施分项计量的250余栋大型公共建筑中的1 000台实际运行的配电变压器，对其主要参数及其2016年全年实际运行数据进行了初步分析，结合变压器经济运行相关标准、规范及论文著作等参考资料，统计了大型公共建筑建筑内配电变压器的配置情况；对变压器运行的负载率、三相平衡情况以及功率因数进行的分析，总结了在大型公建中变压器运行现状的问题并提出几点建议。

分项计量 配电变压器 负载率

1 公共建筑中配电变压器配置调查

1.1 建筑体量与变压器数量的关系

一般而言，建筑体量（按建筑面积计）越大，业态型式越多，响应的用电越复杂、容量越大，故变压器配置数量也应越多，通过数据统计发现上海地区的公共建筑由于要求是电力双进线，所以至少配置2台变压器，具体说明如下。

（1）中小型建筑（5万m2以下）的变压器配置数量大都在2～4台；

（2）50%的稍大型建筑（5～10万m2）配置4台设备，其余数量较不统一；

（3）而超大型建筑（10万m2以上）一般会配置8台或以上变压器；

（4）对于35 kV进线的建筑，一般会配置2台35/10kV大容量变压器。

1.2 建筑体量与装机容量的关系

（1）2万m2以下建筑的装机容量一般均小于4000kVA；

（2）2～5万m2建筑装机容量一般都在6000kVA以下，根据建筑功能业态不同，区别较大，学校办公类建筑较小，商场酒店类相对较大；

（3）超过2/3的5～10万m2建筑的变压器容量在4000～10000kVA之间；

（4）而超大型建筑一般会配置10 000 kVA以上的总容量，且数量超过8台。

1.3 变压器容量规格的分布

根据配电变压器容量规格，统计样本中的设备数量，发现如图1。

图1 电变压器容量规格搭配配置

（1）建筑最多选用的变压器容量在1000～2000kVA之间，占比约为80%，包括1000、1250、1600、2000kVA 4种容量规格；

（2）对于配置2台变压器的建筑（即每条电力进线1台），现实中更多选用1台稍大容量变压器而不是多台稍小容量的，比如配置1台2000kVA，而不是2台1000kVA或者1台 1250kVA+1台800kVA；

（3）对于配置4台及以上变压器的建筑，50%以上的建筑会选用同容量变压器，而不是大小容量设备搭配配置。

1.4 变压器台数与容量选择原则

变压器容量的选择是一个全面、综合性的技术问题，没有一个简单的公式可以概括。变压器容量的选择组合应考虑多种因素：

（1）初期建设成本与长期运行成本的平衡；

（2）配电房场所的空间条件；

（3）单台设备供电半径的约束；

（4）末端用电负载集中度的约束；

（5）末端单台大功率设备的额定用电需求；

（6）对将来用电变更的灵活度等。

所以选配何种型号的变压器及其组合，是一个综合比较后的结果，要结合建筑实际情况；同时，变压器配置方案一旦确定，未来不易调整，所以需要慎重决策。

变压器配置方案中，对于变压器容量的配置是关键的一项内容。那么针对目标建筑所需用电容量的估算主要有以下3种方法。

（1）利用负荷计算法估算，现在最常用的方法；

（2）利用最经济运行效果法估算；

（3）按年电能损耗最小法选择变压器。

从长期运行成本来看，如果有季节性负荷的话，最好用两台稍小容量变压器组合的方案。当季节性负荷不用时，可向供电公司季节性报停一台，可以节省可观的基础电费并减少电力损耗。

2 公共建筑变压器的运行参数分析

2.1 变压器理论最佳运行负载

根据《GB/T 3485 评价企业合理用电技术导则》中要求：调整企业用电设备的工作状态，合理分配与平衡负荷，使企业用电均衡化，提高企业负荷率。根据不同的用电情况，企业日负荷率应不低于以下标准。

（1)连续性生产——95%；

（2)三班制生产——85%；

（3)二班制生产——60%；

（4)一班制生产——30%。

虽然该标准是针对生产性企业，公共建筑亦可作为参考。

变压器经济运行主要指在满足供电需求的基础上，综合损耗最小下的变压器负载运行方式。根据《GBT13462-2008电力变压器经济运行》标准要求，变压器综合损耗最小的负载区间一般在40%～75%。

2.1.1 实际运行负载统计——全时段

对所有监测建筑近1 000台配电变压器在2016年全年（包含了制冷采暖和过渡三季）全时段实际运行负载进行统计。

图2 最大负载率分布图/%

图2 显示，监测中所有变压器最大负载率不超过40%的数量占比33%。

40%是电力公司根据二部制电价规则按需量收取基本电费的下限，暨参照装机容量，实际使用负荷不到契约容量40%的用户也需按40%的契约需量作为计价数量缴纳基本电费。上海基本电费为42元/kW月。通过查阅约200栋大型公共建筑这几年数千张实际电费账单来看，几乎所有建筑用户存在月需量不足容量的40%，累积下来缴纳的“冤枉钱”达数千万元。

图3 平均负载率分布图/%

图3 显示，平均负载率低于30%的变压器数量占比85.8%，而符合经济运行区间（40%～75%）不到3%。

2.1.2 实际运行负载统计——全年营业时段

由于功能业态要求，很多建筑并不是每天全时段营业，所以上一节的全时段统计并不能完全反映建筑用电现状。以下统计根据建筑功能业态不同的营业时间，即正常用电时间，例如商务办公、政府机关选择工作日，每天7:00～20:00；商场选择每天8:00～22:00；酒店、医院等选择全天24h等。在上述时间内抽取数据再对变压器实际运行负载进行统计，结果如下。

（1）营业时间段内，2016年前10个月最大负载率不超过40%的变压器数量占比32.6%。

（2）营业时间段内，平均负载率低于30%的变压器数量占比81.5%，符合经济运行区间（40%～75%）4.2%。

从数据上看，与全时段统计值稍有改善，但差异不大，说明即使在建筑的营业时间内，变压器负载率总体水平还是过低。

2.1.3 实际运行负载统计——7月份营业时段

进一步选取所有建筑7月份（2016年气温最高的月份，也是平台数据显示建筑实际能耗最高的月份），仍然只统计营业时间内的数据，再进行实际运行负载进行统计，结果如下。

（1）最大负载率不超过40%的变压器数量上升为39%，说明部分建筑变压器的最高负荷不是发生在7月份内。

（2）关键来看平均负载率，平均负载率低于30%的变压器占比下降到58.1%，符合经济运行区间（40%～75%）上升到13.6%；

就是说即便在用电最高峰时间段，也有近一半的建筑容量配置仍然大于实际最大负荷需求的一倍还多，而且负荷率水平也是比较低的（即负荷波动较大）。

2.1.4 公共建筑中变压器运行负载分析小结

通过上述对样本数据分析可见，大型公共建筑中普遍存在变压器装机总容量过大现象，且运行中没有采用弹性调整措施。“低负载率、低负荷率”这一现象导致投资过度、设备运行效率不高、电力损耗上升、电费支出偏高等问题。

变压器容量合理选择应考虑以下两点基本原则。

（1）变压器额定容量应满足近几年内最大实际负荷的需要；

（2）日常运行时，尽量将变压器负载运行在经济区间内。

对于难以同时符合两个原则的负荷，可采取设置两台或多台变压器并列运行，或采用一大一小容量的“子母变”轮换供电方式，或改用“调容变”设备等；总之，使运行中的变压器能经常处于经济运行状态，以达到节能节费、延长设备寿命的目的。

2.2 变压器电压电流平衡统计

变压器的运行效率和安全指标除了负载率之外，还有其他运行参数也值得关注。对所有监测建筑的配电变压器三相电压不平衡、三相电流不平衡的数据分析后，发现如下。

（1）三相电压不平衡的控制情况良好，根据规范要求不平衡率小于2%的变压器占比有98%，也有极少数超过了4%的警戒上限值。

（2）另外，供电电压合格率也非常高，一般都在99.8%以上。

（3）然而，三相电流不平衡现象比较严重，超过1/3的变压器电流不平衡率超过了15%。

（4）在建筑营业时间段各常用设备开启时，三相电流不平衡率可以维持在10%以内；但在非营业时段会突破限值。

三相不平衡会导致变压器损耗过高；零序电流过大，会引起导线和设备发热甚至引起安全事故，对于安全用电和经济用电都有损害。导致三相电流不平的主要原因是初始配电设计与实际使用不匹配，或后期变更却未做相应调整，建筑运行人员应实时了解三相平衡数据，发现问题后及时调整各支路负荷分配。

另外，对于系统监测而言，如果在现有电力参数监测的基础上，能再加上对变压器内部温升的数据监测，会更加有利于变压器安全运行管理。

2.3 变压器功率因数统计

调查发现绝大多数的公共建筑内都配备了自动投切的无功补偿柜，所以大型公建内的功率因数控制情况总体良好。

（1）53.78%的变压器功率因数大于95%，安装上海市电价政策即可享受电费减免1.1%的最高限，按年电费1 000万元计，保持每个月的功率因数指标均大于95%，此项即可节省电费10万余元；

（2）仍有10%的设备功率因数发生过小于85%的月份，建筑用户会为此遭受惩罚性电费。

无功补偿是非常成熟的技术，公共建筑配电要求配置自动/手动补偿柜，但是实际现场发现少数设备有配备，但已失效，建议及时修复。

3 结论与建议

3.1 变压器运行现状问题总结

借助分项计量，以监测建筑为样本，对上海地区大型公共建筑内的配电变压器选配及实际运行数据进行分析，得出如下结论。

（1）大型公共建筑变压器容量配置普遍存在“大马拉小车”现象，同时配置方案调节灵活性不高。直接的不利因素是设备初始投资和后期运行费用都偏高。

（2）大型公共建筑变压器实际运行负载率偏低，且只有少数建筑运营管理者采取季节性报停等运营管理措施，导致变压器长时间处于非经济运行工况下，设备使用效率不高。

（3）对应电价政策，高容量、低负载的现象导致建筑用户用电成本上升。

（4）变压器三相电流不平衡现象比较严重，设备损耗上升，存在安全隐患。

3.2 改进优化建议

基于上述普遍存在的变压器运行问题，对既有建筑而言鉴于已掌握的设备运行数据基础上，可以采取的针对性措施如下。

（1）调整优化二级配电，确保变压器负荷的平稳，保证每台变压器长期处于经济运行区间；

（2）实时掌握变压器各相负荷分配及其实际负荷数据，保证三相供电平衡，发生业务或设备调整时，及时测量与调整；

（3）保证无功补偿装置的有效性，尽量做到功率因数95%以上；

（4）季节变换或业务重大调整时，做好用电负荷的预测算，合理增减容、季节性报停、每月需量申报与运行监控等运行管理工作；

（5）如果具备经济和技术可行性，不排除变压器设备改造或替代。具体测算参照《DL/T 配电变压器能效技术经济评价导则》进行。

对于新建建筑，在规划、设计与建设阶段时，应做好以下几点。

（1）请设计院和施工单位配合建筑开发商做好用电负荷的合理规划和预测算，综合项目现场实际的各项约束条件和需求，平衡初期投资与长期运行费用，配备适宜的变压器型号、装机容量，控制冗余幅度；

（2）对季节性大用电负荷配置专用变压器供电，以便适时切除报停变压器；

（3）场地允许条件下，尽量采取“子母变压器组合配置方案”或选用可调容变压器，提高后期运行的调配灵活性。

INFORMATION AND DYNAMIC

节能信息与动态

黄浦区部署2017年能源审计工作

根据黄浦区2017年节能减排工作计划，今年将对15家单位进行能源审计。为推进能源审计工作，8月4日，区节能办组织召开2017年能源审计工作布置会，领展企业广场、上海避风塘美食有限公司等被审计单位相关负责人参加会议。

会上，区节能办介绍了能源审计工作的意义和今年实施计划，第三方审计单位介绍了能源审计的内容和需要单位配合事项。被审计单位表示能源审计工作有助于降低企业用能成本，挖掘节能潜力，将积极配合做好相关工作。

（区发改委）

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