给水排水工程新能效标准下变压器节能设计

魏国文，徐 进，卢 岩，王美凤

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381；2.天津市排水管理事务中心，天津 300074；3.温州市公用事业技术中心，浙江温州 325000）

0 引言

大型给水排水工程电气系统中，电力变压器不仅是系统中的重要组成部分，同时还是能量损耗的关键环节之一，所以必须对变压器采用有效的节能减排设计方法。若设计不当，对给水排水工程项目的运行不仅会造成严重的能源浪费，还会带来企业运行费用过高造成经济损失等次生问题。如何对变压器进行合理的节能减排设计，是大型给水排水工程项目电气系统传统技术研究的热点。

新国标GB20052—2020 电力变压器能效限定值及能效等级（下文简称《能效等级》）及国家三部门《变压器能效提升计划（2021-2023 年）》（下文简称《提升计划》）的发布，为给水排水工程变压器的设计选型指明了方向。

目前，10∕0.4 kV 变压器广泛应用于给水排水电气系统中，其在运行过程中会产生很大的功率损耗，是给水排水工程电气系统节能减排设计的一个重要环节。变压器的节能效果简称为能效，变压器能效分为静态能效及动态能效两部分，提高变压器静态能效和动态能效的目标是变压器空载损耗及负载损耗的降低。空载损耗为变压器本体损耗，主要通过变压器制造生产中采用新工艺、新材料等新技术的应用来降低，仅涉及变压器设备的合理选型。负载损耗为负载可变损耗，是变压器运行过程中，由于相关实际动态参数的影响而产生的损耗，可通过合理选择变压器的容量及运行方式将动态损耗有效降低。

国内在传统给水排水工程中变压器选型设计中通常选择两台变压器一用一备工作方式，过于强调供配电系统的可靠性，忽略了变压器的损耗及企业经济效益。现时，两台变压器同时分列运行渐成主流，特别是在国家对污水厂类环保企业出台免除基本电价政策下，通过对变压器运行方式及负载率的合理选型，实现变压器的节能及企业经济效益的最大化。

1 节能变压器设备的合理选型

1.1 2020版《能效等级》对节能变压器的要求

2020 版《能效等级》与2013 版比较，提高了10 kV配电变压器产品的空载损耗及负载损耗指标要求[1]，主要变化如表1～2所示。

表1 10 kV 硅钢变压器的主要技术变化（GB20052—2020与GB 20052—2013对比）

表2 10 kV 非晶合金变压器的主要技术变化（GB20052—2020与GB 20052—2013对比）

2020版《能效等级》与2013版比较，硅钢及非晶合金变压器空载损耗及负载损耗均有不同程度的降低；非晶合金空载损耗只有硅钢的30%～40%，非晶合金变压器技术进步较大。

1.2 《提升计划》对节能变压器的要求

国家高度重视配电变压器节能减排工作，根据《提升计划》[2]，1 级、2 级能效标准的电力变压器并网运行比例到2023 年将提高10%，要求2023 年在网运行新增节能变压器的比例将达到75%以上[3]。

该计划的主要任务是加快关键核心技术研发，在高效节能变压器的结构设计与加工技术上进行技术创新；加快推广高效节能变压器，自2021 年6 月起，新并网变压器必须符合国家能效标准的要求，新采购变压器应为高效节能变压器。

1.3 变压器能效标准的选择要求

各级部门“绿色建筑标准”都要求选择满足《能效等级》2020 版能效标准的变压器，提倡选择《能效等级》2020 版2 级及以上能效标准的变压器，最低应选用符合《能效等级》2020 版3 级能效标准及以上的变压器（原2013版3级能效标准属淘汰使用产品）。

1.4 新型高效节能变压器新技术的发展

考虑到新型高效节能变压器的技术发展现状和给排水工程环境，在选择变压器时可考虑具有以下新技术特点的变压器：（1）应以高磁感高牌号硅钢及非晶合金铁芯材料为主；（2）推荐采用立体卷铁心结构型式；（3）干式变压器绝缘材料可选择硅橡胶绝缘干式变压器。

1.5 新型高效节能变压器的选型标注

1 级能效标准的变压器现阶段普遍存在价格偏高问题，选型时应考虑综合性价比，设计中可选择2 级能效变压器。可关注l 级能效变压器的综合性价比，不建议盲目采用1级能效的变压器。

在《变压器类产品型号编制方法》修订前，可按变压器标委会规定进行选择和标注。注意设计时可明确标注能效等级：一级能效——NXl、二级能效——NX2、三级能效——NX3[4]。

2 变压器容量及运行方式的合理选择

2.1 变压器容量的合理选择

给水排水工程电气系统中变压器的容量和数量应根据电气系统的供电回路数量、负荷性质、用电容量、运行方式和企业发展等情况确定。在保证供配电系统可靠性的基础上，注重变压器容量设计的经济合理性。

大中型给水排水工程电气系统主要为二级以上负荷，一般配置两台以上的变压器。对于配置两台及以上变压器的变电所，其中任意一台变压器故障断开时，其余变压器的容量对一、二级负荷的保证率为100%[5]。

2.2 变压器运行方式的优化

通常给水排水工程中两台变压器的运行方式有两种：分列运行和并列运行。其中采用分列运行方式较为普遍，其又分为一用一备及两用两种工作方式。在传统的给水排水设计中，过于注重变压器的安全余量，通常选择一用一备运行方式，造成变压器的装机容量一般偏大。近年来，随着对国家碳达峰、碳中和目标的提出，减少电力能源的消耗浪费受到越来越多的重视，依据合理的技术经济比较，给水排水工程采用两台变压器分列运行方式：在50%～60%负荷率工况下（一台变压器断开时，另一台变压器容量对一、二级负荷保证率为100%），两台同时运行方式逐渐成为主流。

变压器经济运行可以分为3 个区域：最佳运行区、经济运行区、最劣运行区域。给水排水工程对于变压器设计应让其工作在经济运行区，最好在最佳运行区，避免在最劣运行区工作。

国标GB∕T 13462-2008《电力变压器经济运行》明确了变压器需要运行在经济运行区[6]，即工作在“综合功率损耗率接近变压器经济负载系数时的综合功率损耗率的负载区间”内这一要求，该标准同时给出了变压器最佳经济运行区的划分以及判定变压器工作在非经济区的方法。

3 变压器运行损耗的相关因素及解决方式

3.1 变压器功率因数的合理控制

变压器输出有功功率随负载功率因数正相关性，高功率因数可带来高变压器输出有功功率。此外，提高功率因数还可以降低输电线路的电能损耗、减少线路电压损失、改善电压质量、提高供配电系统的使用效率，同时减少电缆导体金属的投入量。

（1）自然功率因素提高的有效方式

电气系统中的变压器、异步电机轻载工况，会导致其自然功率因数非常低。在给水排水工程中应避免此类电气设备长期处于轻载工况，尽可能达到额定工况以达到提高自然功率因数的目标。

（2）设置无功补偿装置

通过无功补偿方式来提高功率因数，常用的无功补偿方式主要有集中补偿、分散补偿及就地补偿等[7]。在给水排水工程电气系统设计实践中，无功补偿提倡“集中和分散相结合，就地平衡”的设计原则，有效降低供配电线路及变压器电能损耗，提高供配电系统的运行效率。集中补偿适用于变电所，适合无功补偿容量较大、相对集中且与供电电源系统相距较近的用电负荷，补偿装置直接安装在高压系统母线或低压系统母线上；分散补偿适用于各车间低压配电马达控制中心；就地补偿适用于补偿容量大、无功补偿容量稳定的单台电力负荷，如给水排水工程中的高压10 kV 工频水泵电机宜采用单机就地补偿方式。

3.2 抑制变压器低压系统谐波的措施

给水排水工程电气系统中普遍存在的谐波也会对变压器损耗产生直接的影响，当谐波电流通过变压器线圈时，阻抗将增大，变压器损耗也将增加，因此通过抑制谐波的方式可使可变压器损耗有效降低。

在给水排水工程电气系统谐波治理方法主要为两种：一种是预防性措施，即从消除或减少电气装置本身所产生的谐波着手；另一种是补救性措施，即对电气装置产生的谐波采用滤波装置，让谐波不进入供配电系统，或将谐波总畸变电流限制在各级供配电系统允许的范围之内[8]。

（1）预防性措施

预防性措施是电气系统中尽量使用不产生或少产生谐波的电气传动自动化装置，可采用多相整流和多重化技术等来实现；也可采用特定的电气设备，如采用Dyn11连接组方式的变压器来阻断3次类别的谐波电流在变压器高低压侧的通过，从而减少电力系统高压侧的谐波电流[9]。

（2）补救性措施

常用和有效的是使用谐波滤波设备，一般可以使用无源滤波器、有源滤波器两大类。无源滤波器是一种由电阻器、电抗器和电容器这些无源元件组成的滤波器来抑制进入公用电网的谐波电流的方法，此种方式优点是结构简单、投资低、维护简单、运行可靠，缺点是滤波特性依赖于电源阻抗、不能把谐波完全滤除、有并联谐振危险。有源滤波实际上就是另造一个与谐波电流大小相同相位相反的谐波电流源，从而完全滤除谐波电流，此种方式优点是实现动态滤波、同时对无功功率补偿、不受电网阻抗影响谐振风险较低。

不同于民用建筑电气系统存在大量非线性电力电子设备，部分中小规模的给水排水工程电气系统中的谐波源比较单一且集中，主要为低压水泵、风机负载中的变频器调速装置，在此类工程的电气设计实践中，提倡“采取谐波源就地治理”设计原则，针对每台变频器就地采用相匹配的无源滤波器来抑制谐波电流，将谐波电流污染问题就地解决，除具备无源滤波器的结构简单、投资低的特点外，可有效降低线路、变压器等附加损耗，提高供配电系统的运行效率。另一部分大中型给水排水工程电气系统谐波源种类复杂且分散，如存在大容量直流整流器、大型UPS、电子镇流器等，此类电气系统中宜在各主要低压配电系统中采用集中有源滤波器治理方案。

3.3 三相负载平衡与变压器损耗间的关系

电气系统三相不对称运行时，各相电流不同，导致变压器损耗的增加。给水排水工程电气系统中主要为三相负载，非故障情况下一般不存在三相不平衡的问题，负载平衡对变压器损耗影响较少，对照明等单相负荷在系统分相时尽可能平衡即可。

4 变压器容量选择及运行方式案例分析

按变压器运行低损耗和经济效果的影响选择变压器容量[10]。

（1）变压器容量应根据降低运行损耗来选择。从变压器运行损耗的角度来看，变压器的运行负荷率应较低，损耗应较小。一般情况下，平均负荷率应为50%～70%。

（2）变压器容量应根据经济核算选择。按变压器容量收取基本电价时，变压器平均负荷率按变压器一用一备运行方式应选择的高些，通常为70%～90%[11]，按近年越来越多采用两台分列运行方式应选择的低些，通常为50%～70%；按变压器容量取消基本电价收费时，两台分列运行方式的干式变压器的最佳效率点可选择在最佳经济运行区内，通常为50%～60%。

（3）变压器容量选择还应考虑用电负荷等级及工程近远期预留等因素，进行电能损耗和运行费用比较后确定。

4.1 净水厂案例

净水厂通常为直接由供电部门供电的大宗工业用户，采用两部电价制计费，即基本电价和电度电价，而基本电价按常见的变压器容量计费的方式；运行方式中一用一备的备用变压器采用满足净水厂安全性要求常见的热备用方式，此种方式供电部门要求备用变压器容量须记入基本电价，即随时可以投运方式[10]。

基本条件：某净水厂用电设备的计算容量1 000 kVA，计算负荷900 kW，其中二级负荷用电负荷为750 kVA，选用2台SCBH17-NX2型变压器，均采用分列运行方式，以不同运行方式及容量选择列出3 个方案。从运行可靠性、基本投资、年折旧维护、电能损耗和经济运行等方面作比较如表3 所示。表中基本投资按变压器价格130%计，年折旧和维护费用按基本投资的10%计，基本电价按变压器容量计为23元∕kVA∕月计算。

表3 某净水厂变压器电能损耗和运行费用比较

其中，变压器运行损耗功率为：

式中：ΔP0为变压器空载有功损耗，kW，按2 级能效非晶合金变压器相应容量的最大限定值给出（F取120 ℃），本案例1 取2×550 kW、案例2 取2×470 kW、案例3 取2×410 kW；ΔPk为变压器满载有功损耗，kW，按2 级能效非晶合金变压器相应容量的最大限定值给出（F取120 ℃），本案例1 取8 720 kW、案例2 取2×7 315 kW、案例3 取2×6 265 kW；Sc为变压器低压侧计算负荷，kVA，本案例取1 000 kVA；Se为变压器额定容量，kVA，本案例一取1 250 kVA、案例二取2×1 000 kVA、案例三取2×800 kVA。

变压器年运行损耗电度为：

式中：t为变压器全年投入运行小时数，取8 760 h；τ为变压器最大负荷损耗小时数，按给排水行业经验值取4 000 h。

年总运行费用按变压器容量计，以年折旧维护费、变压器年运行损耗电费及按变压器容量计年基本电价三者之和估算。

由表3可以得出：

（1）从全厂负荷保证率比较，方案1 安全性最高，但主要节能及经济指标如变压器运行损耗功率、年总运行费用均为最高；

（2）从变压器损耗量比较，变压器运行负荷率低的方案2损耗最小；

（3）从变压器年总运行费用计比较，由于存在基本电价，变压器运行方式合理、负荷率比较低的方案3，变压器年总运行费用最省；

（4）在现有供电部门计费体制下，变压器损耗量与变压器年总运行费用存在一定负相关性，设计人员在净水厂电气系统中的经济性与变压器损耗量之间需要寻找到平衡点，从本案例中优选方案3。

4.2 污水厂案例

污水厂通常为直接由供电部门供电的大宗工业用户，如采用两部电价制计费方式，则污水厂对变压器容量选择及运行方式与净水厂是相同的，但近年来各地区出台针对环保企业免除基本电价的政策越来越多，本案例按取消污水厂基本电价情况下做一个案例比选[10]。

基本条件：与净水厂相同。从运行可靠性、基本投资、年折旧维护、电能损耗和经济运行等方面作比较如表4所示。表中基本投资同样按变压器价格130%计，年折旧和维护费用按基本投资的10%计，但基本电价按环保企业享受政策优惠即免除基本电价考虑。新增方案4按两台大容量变压器负荷率40%运行方式再做一个对比。

表4 某污水厂变压器电能损耗和运行费用比较

其中，变压器运行损耗功率：

式中：ΔP0为变压器空载有功损耗，kW，按2 级能效非晶合金变压器相应容量的最大限定值给出（F=120 ℃），本案例1 取2×550 kW、案例2 取2×470 kW、案例3 取2×410 kW、案例4 取2×550 kW；ΔPk为变压器满载有功损耗，kW，按2 级能效非晶合金变压器相应容量的最大限定值给出（F取120 ℃），本案例1 取8 720 kW、案例2 取2×7 315 kW、案例3 取2×6 265 kW、案例4 取2×8 720 kW；Sc为变压器低压侧计算负荷，kVA，本案例取1 000 kVA；Se为变压器额定容量，kVA，本案例1 取1 250 kVA、案例2 取2×1 000 kVA、案例3 取2×800 kVA、案例4取2×8 720 kW。

变压器年运行损耗电度：

式中：t为变压器全年投入运行小时数，取8 760 h；τ为变压器最大负荷损耗小时数，按给排水行业经验值取4 000 h。

年总运行费用按变压器容量计，以年折旧维护费、变压器年运行损耗电费及按变压器容量计年基本电价三者之和估算。

从表4中可以得出：

（1）从全厂负荷保证率比较，方案1 安全性最高，但主要节能及经济指标如变压器运行损耗功率、年总运行费用均为最高；

（2）从变压器损耗量比较，变压器运行负荷率低的方案4损耗最小；

（3）从变压器经济效果比较，变压器运行方式合理、负荷率较低的方案2与方案3的变压器年总运行费用略少；

（4）污水厂在免除基本电价政策下，变压器损耗量与变压器年总运行费用呈正相关性，设计人员在污水厂电气系统中的可以充分考虑变压器低损耗方案，从本案例中优选方案2。

4.3 案例的最佳经济运行区分析[12]

传统典型S 系列双绕组变压器综合功率率与平均负荷系数β的函数特性曲线如图1所示。

图1 传统典型S 系列双绕组变压器综合功率率与平均负荷系数β的函数特性曲线

ΔPZ% =f(β)为传统典型S 系列双绕组变压器综合功率损耗率与平均负载系数β的函数特性曲线。变压器综合功率运行区间的范围划分为：经济运行区为β2JZ≤β≤1，最佳经济运行区为1.33β2JZ≤β≤0.75，非经济运行区为0 ≤β≤β2JZ[6]。

本案例SCBH17-NX2 双绕组变压器综合功率率与平均负荷系数β的函数特性曲线如图2所示，只计算污水厂节能效果最好的案例2～案例4。

图2 本案例双绕组变压器综合功率率与平均负荷系数β的函数特性曲线

ΔPZ% =f(β)为本案例双绕组变压器综合功率损耗率与平均负载系数β的函数特性曲线。本案例三种容量变压器的综合功率经济负载系数βJZ均在0.247～0.25 之间，则其经济运行区为0.06 ≤β≤1，最佳经济运行区为0.08 ≤β≤0.75，非经济运行区为0 ≤β≤0.06。

本案例两台分列同时运行的变压器按负载各50%计算，则单台变压器综合功率经济负载系数据国标GB∕T 13462-2008《电力变压器经济运行》中附录A 及6.1.1 节计算如下。

SCBH17-800∕10-NX2 变压器的平均负载系数：

SCBH17-1000∕10-NX2 变压器的平均负载系数：

SCBH17-1250∕10-NX2 变压器的平均负载系数：

SCBH17-800∕10-NX2 变压器的综合功率经济负载系数：

式中：P0z为综合功率空载损耗，P0Z=P0+KQQ0=0.57 kW；PKZ为综合功率额定负载损耗，PKZ=PK+KQQK=8.665 kW；KT为负载波动系数，KT=1.05。

SCBH17-1000∕10-NX2 变压器的综合功率经济负载系数:

式中：P0z为综合功率空载损耗，P0Z=P0+KQQ0=0.67 kW；PKZ为综合功率额定负载损耗PKZ=PK+KQQK=10.315 kW；KT为负载波动系数，KT=1.05。

SCBH17-1250∕10-NX2 变压器的综合功率经济负载系数:

式中：P0z为综合功率空载损耗，P0Z=P0+KQQ0=0.8 kW；PKZ为综合功率额定负载损耗，PKZ=PK+KQQK=12.47 kW；KT为负载波动系数，KT=1.05。

根据以上计算可以得出：首先，从图2 可得出3 种容量SCBH17-NX2 变压器的均落在最佳经济运行区，相同负荷情况下，负荷率越低的变压器越靠近综合功率经济负载系数，也就是变压器运行损耗功率越低，与案例计算中得出的结论相一致；其次，从图1及图2对比可得出，新型节能非晶合金变压器经济运行区及最佳经济运行区范围大幅拓宽，说明新型节能变压器的节能效果更为明显，更值得在设计中大力推广采用。

5 结束语

本文对传统《给水排水设计手册》中的案例给予修正、补充，并通过对案例的最佳经济运行区分析验证，给出了给水排水工程中变压器设计的最佳的运行方式及负荷率区间。

同样，通过案例及验证分析，可得出变压器的选型应结合新国标《能效等级》GB20052—2020 及《提升计划》的具体国家产业政策的导向，选择符合产业政策新型节能高效变压器。

除常规对变压器进行功率因素的合理控制、系统谐波的抑制以外，还需充分利用国家对污水厂类环保企业出台的免除基本电价政策，突破两台变压器传统的一用一备运行方式的束缚，选择经济合理的两台分列运行方式，寻找出变压器损耗最少的最佳经济运行区的负荷率，实现变压器的节能及企业经济效益的最大化。