給水排水工程新能效標(biāo)準(zhǔn)下變壓器節(jié)能設(shè)計(jì)

魏國(guó)文，徐 進(jìn)，盧 巖，王美鳳

（1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381；2.天津市排水管理事務(wù)中心，天津 300074；3.溫州市公用事業(yè)技術(shù)中心，浙江溫州 325000）

0 引言

大型給水排水工程電氣系統(tǒng)中，電力變壓器不僅是系統(tǒng)中的重要組成部分，同時(shí)還是能量損耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，所以必須對(duì)變壓器采用有效的節(jié)能減排設(shè)計(jì)方法。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，對(duì)給水排水工程項(xiàng)目的運(yùn)行不僅會(huì)造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，還會(huì)帶來企業(yè)運(yùn)行費(fèi)用過高造成經(jīng)濟(jì)損失等次生問題。如何對(duì)變壓器進(jìn)行合理的節(jié)能減排設(shè)計(jì)，是大型給水排水工程項(xiàng)目電氣系統(tǒng)傳統(tǒng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

新國(guó)標(biāo)GB20052—2020 電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)（下文簡(jiǎn)稱《能效等級(jí)》）及國(guó)家三部門《變壓器能效提升計(jì)劃（2021-2023 年）》（下文簡(jiǎn)稱《提升計(jì)劃》）的發(fā)布，為給水排水工程變壓器的設(shè)計(jì)選型指明了方向。

目前，10∕0.4 kV 變壓器廣泛應(yīng)用于給水排水電氣系統(tǒng)中，其在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗，是給水排水工程電氣系統(tǒng)節(jié)能減排設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。變壓器的節(jié)能效果簡(jiǎn)稱為能效，變壓器能效分為靜態(tài)能效及動(dòng)態(tài)能效兩部分，提高變壓器靜態(tài)能效和動(dòng)態(tài)能效的目標(biāo)是變壓器空載損耗及負(fù)載損耗的降低?？蛰d損耗為變壓器本體損耗，主要通過變壓器制造生產(chǎn)中采用新工藝、新材料等新技術(shù)的應(yīng)用來降低，僅涉及變壓器設(shè)備的合理選型。負(fù)載損耗為負(fù)載可變損耗，是變壓器運(yùn)行過程中，由于相關(guān)實(shí)際動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響而產(chǎn)生的損耗，可通過合理選擇變壓器的容量及運(yùn)行方式將動(dòng)態(tài)損耗有效降低。

國(guó)內(nèi)在傳統(tǒng)給水排水工程中變壓器選型設(shè)計(jì)中通常選擇兩臺(tái)變壓器一用一備工作方式，過于強(qiáng)調(diào)供配電系統(tǒng)的可靠性，忽略了變壓器的損耗及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)時(shí)，兩臺(tái)變壓器同時(shí)分列運(yùn)行漸成主流，特別是在國(guó)家對(duì)污水廠類環(huán)保企業(yè)出臺(tái)免除基本電價(jià)政策下，通過對(duì)變壓器運(yùn)行方式及負(fù)載率的合理選型，實(shí)現(xiàn)變壓器的節(jié)能及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 節(jié)能變壓器設(shè)備的合理選型

1.1 2020版《能效等級(jí)》對(duì)節(jié)能變壓器的要求

2020 版《能效等級(jí)》與2013 版比較，提高了10 kV配電變壓器產(chǎn)品的空載損耗及負(fù)載損耗指標(biāo)要求[1]，主要變化如表1～2所示。

表1 10 kV 硅鋼變壓器的主要技術(shù)變化（GB20052—2020與GB 20052—2013對(duì)比）

表2 10 kV 非晶合金變壓器的主要技術(shù)變化（GB20052—2020與GB 20052—2013對(duì)比）

2020版《能效等級(jí)》與2013版比較，硅鋼及非晶合金變壓器空載損耗及負(fù)載損耗均有不同程度的降低；非晶合金空載損耗只有硅鋼的30%～40%，非晶合金變壓器技術(shù)進(jìn)步較大。

1.2 《提升計(jì)劃》對(duì)節(jié)能變壓器的要求

國(guó)家高度重視配電變壓器節(jié)能減排工作，根據(jù)《提升計(jì)劃》[2]，1 級(jí)、2 級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)的電力變壓器并網(wǎng)運(yùn)行比例到2023 年將提高10%，要求2023 年在網(wǎng)運(yùn)行新增節(jié)能變壓器的比例將達(dá)到75%以上[3]。

該計(jì)劃的主要任務(wù)是加快關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，在高效節(jié)能變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新；加快推廣高效節(jié)能變壓器，自2021 年6 月起，新并網(wǎng)變壓器必須符合國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)的要求，新采購(gòu)變壓器應(yīng)為高效節(jié)能變壓器。

1.3 變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)的選擇要求

各級(jí)部門“綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)”都要求選擇滿足《能效等級(jí)》2020 版能效標(biāo)準(zhǔn)的變壓器，提倡選擇《能效等級(jí)》2020 版2 級(jí)及以上能效標(biāo)準(zhǔn)的變壓器，最低應(yīng)選用符合《能效等級(jí)》2020 版3 級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)及以上的變壓器（原2013版3級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)屬淘汰使用產(chǎn)品）。

1.4 新型高效節(jié)能變壓器新技術(shù)的發(fā)展

考慮到新型高效節(jié)能變壓器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和給排水工程環(huán)境，在選擇變壓器時(shí)可考慮具有以下新技術(shù)特點(diǎn)的變壓器：（1）應(yīng)以高磁感高牌號(hào)硅鋼及非晶合金鐵芯材料為主；（2）推薦采用立體卷鐵心結(jié)構(gòu)型式；（3）干式變壓器絕緣材料可選擇硅橡膠絕緣干式變壓器。

1.5 新型高效節(jié)能變壓器的選型標(biāo)注

1 級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)的變壓器現(xiàn)階段普遍存在價(jià)格偏高問題，選型時(shí)應(yīng)考慮綜合性價(jià)比，設(shè)計(jì)中可選擇2 級(jí)能效變壓器?？申P(guān)注l 級(jí)能效變壓器的綜合性價(jià)比，不建議盲目采用1級(jí)能效的變壓器。

在《變壓器類產(chǎn)品型號(hào)編制方法》修訂前，可按變壓器標(biāo)委會(huì)規(guī)定進(jìn)行選擇和標(biāo)注。注意設(shè)計(jì)時(shí)可明確標(biāo)注能效等級(jí)：一級(jí)能效——NXl、二級(jí)能效——NX2、三級(jí)能效——NX3[4]。

2 變壓器容量及運(yùn)行方式的合理選擇

2.1 變壓器容量的合理選擇

給水排水工程電氣系統(tǒng)中變壓器的容量和數(shù)量應(yīng)根據(jù)電氣系統(tǒng)的供電回路數(shù)量、負(fù)荷性質(zhì)、用電容量、運(yùn)行方式和企業(yè)發(fā)展等情況確定。在保證供配電系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，注重變壓器容量設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。

大中型給水排水工程電氣系統(tǒng)主要為二級(jí)以上負(fù)荷，一般配置兩臺(tái)以上的變壓器。對(duì)于配置兩臺(tái)及以上變壓器的變電所，其中任意一臺(tái)變壓器故障斷開時(shí)，其余變壓器的容量對(duì)一、二級(jí)負(fù)荷的保證率為100%[5]。

2.2 變壓器運(yùn)行方式的優(yōu)化

通常給水排水工程中兩臺(tái)變壓器的運(yùn)行方式有兩種：分列運(yùn)行和并列運(yùn)行。其中采用分列運(yùn)行方式較為普遍，其又分為一用一備及兩用兩種工作方式。在傳統(tǒng)的給水排水設(shè)計(jì)中，過于注重變壓器的安全余量，通常選擇一用一備運(yùn)行方式，造成變壓器的裝機(jī)容量一般偏大。近年來，隨著對(duì)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，減少電力能源的消耗浪費(fèi)受到越來越多的重視，依據(jù)合理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，給水排水工程采用兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行方式：在50%～60%負(fù)荷率工況下（一臺(tái)變壓器斷開時(shí)，另一臺(tái)變壓器容量對(duì)一、二級(jí)負(fù)荷保證率為100%），兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行方式逐漸成為主流。

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可以分為3 個(gè)區(qū)域：最佳運(yùn)行區(qū)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)、最劣運(yùn)行區(qū)域。給水排水工程對(duì)于變壓器設(shè)計(jì)應(yīng)讓其工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，最好在最佳運(yùn)行區(qū)，避免在最劣運(yùn)行區(qū)工作。

國(guó)標(biāo)GB∕T 13462-2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》明確了變壓器需要運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)[6]，即工作在“綜合功率損耗率接近變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)時(shí)的綜合功率損耗率的負(fù)載區(qū)間”內(nèi)這一要求，該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)給出了變壓器最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的劃分以及判定變壓器工作在非經(jīng)濟(jì)區(qū)的方法。

3 變壓器運(yùn)行損耗的相關(guān)因素及解決方式

3.1 變壓器功率因數(shù)的合理控制

變壓器輸出有功功率隨負(fù)載功率因數(shù)正相關(guān)性，高功率因數(shù)可帶來高變壓器輸出有功功率。此外，提高功率因數(shù)還可以降低輸電線路的電能損耗、減少線路電壓損失、改善電壓質(zhì)量、提高供配電系統(tǒng)的使用效率，同時(shí)減少電纜導(dǎo)體金屬的投入量。

（1）自然功率因素提高的有效方式

電氣系統(tǒng)中的變壓器、異步電機(jī)輕載工況，會(huì)導(dǎo)致其自然功率因數(shù)非常低。在給水排水工程中應(yīng)避免此類電氣設(shè)備長(zhǎng)期處于輕載工況，盡可能達(dá)到額定工況以達(dá)到提高自然功率因數(shù)的目標(biāo)。

（2）設(shè)置無功補(bǔ)償裝置

通過無功補(bǔ)償方式來提高功率因數(shù)，常用的無功補(bǔ)償方式主要有集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償及就地補(bǔ)償?shù)萚7]。在給水排水工程電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，無功補(bǔ)償提倡“集中和分散相結(jié)合，就地平衡”的設(shè)計(jì)原則，有效降低供配電線路及變壓器電能損耗，提高供配電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。集中補(bǔ)償適用于變電所，適合無功補(bǔ)償容量較大、相對(duì)集中且與供電電源系統(tǒng)相距較近的用電負(fù)荷，補(bǔ)償裝置直接安裝在高壓系統(tǒng)母線或低壓系統(tǒng)母線上；分散補(bǔ)償適用于各車間低壓配電馬達(dá)控制中心；就地補(bǔ)償適用于補(bǔ)償容量大、無功補(bǔ)償容量穩(wěn)定的單臺(tái)電力負(fù)荷，如給水排水工程中的高壓10 kV 工頻水泵電機(jī)宜采用單機(jī)就地補(bǔ)償方式。

3.2 抑制變壓器低壓系統(tǒng)諧波的措施

給水排水工程電氣系統(tǒng)中普遍存在的諧波也會(huì)對(duì)變壓器損耗產(chǎn)生直接的影響，當(dāng)諧波電流通過變壓器線圈時(shí)，阻抗將增大，變壓器損耗也將增加，因此通過抑制諧波的方式可使可變壓器損耗有效降低。

在給水排水工程電氣系統(tǒng)諧波治理方法主要為兩種：一種是預(yù)防性措施，即從消除或減少電氣裝置本身所產(chǎn)生的諧波著手；另一種是補(bǔ)救性措施，即對(duì)電氣裝置產(chǎn)生的諧波采用濾波裝置，讓諧波不進(jìn)入供配電系統(tǒng)，或?qū)⒅C波總畸變電流限制在各級(jí)供配電系統(tǒng)允許的范圍之內(nèi)[8]。

（1）預(yù)防性措施

預(yù)防性措施是電氣系統(tǒng)中盡量使用不產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波的電氣傳動(dòng)自動(dòng)化裝置，可采用多相整流和多重化技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)；也可采用特定的電氣設(shè)備，如采用Dyn11連接組方式的變壓器來阻斷3次類別的諧波電流在變壓器高低壓側(cè)的通過，從而減少電力系統(tǒng)高壓側(cè)的諧波電流[9]。

（2）補(bǔ)救性措施

常用和有效的是使用諧波濾波設(shè)備，一般可以使用無源濾波器、有源濾波器兩大類。無源濾波器是一種由電阻器、電抗器和電容器這些無源元件組成的濾波器來抑制進(jìn)入公用電網(wǎng)的諧波電流的方法，此種方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資低、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，缺點(diǎn)是濾波特性依賴于電源阻抗、不能把諧波完全濾除、有并聯(lián)諧振危險(xiǎn)。有源濾波實(shí)際上就是另造一個(gè)與諧波電流大小相同相位相反的諧波電流源，從而完全濾除諧波電流，此種方式優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾波、同時(shí)對(duì)無功功率補(bǔ)償、不受電網(wǎng)阻抗影響諧振風(fēng)險(xiǎn)較低。

不同于民用建筑電氣系統(tǒng)存在大量非線性電力電子設(shè)備，部分中小規(guī)模的給水排水工程電氣系統(tǒng)中的諧波源比較單一且集中，主要為低壓水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載中的變頻器調(diào)速裝置，在此類工程的電氣設(shè)計(jì)實(shí)踐中，提倡“采取諧波源就地治理”設(shè)計(jì)原則，針對(duì)每臺(tái)變頻器就地采用相匹配的無源濾波器來抑制諧波電流，將諧波電流污染問題就地解決，除具備無源濾波器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資低的特點(diǎn)外，可有效降低線路、變壓器等附加損耗，提高供配電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。另一部分大中型給水排水工程電氣系統(tǒng)諧波源種類復(fù)雜且分散，如存在大容量直流整流器、大型UPS、電子鎮(zhèn)流器等，此類電氣系統(tǒng)中宜在各主要低壓配電系統(tǒng)中采用集中有源濾波器治理方案。

3.3 三相負(fù)載平衡與變壓器損耗間的關(guān)系

電氣系統(tǒng)三相不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，各相電流不同，導(dǎo)致變壓器損耗的增加。給水排水工程電氣系統(tǒng)中主要為三相負(fù)載，非故障情況下一般不存在三相不平衡的問題，負(fù)載平衡對(duì)變壓器損耗影響較少，對(duì)照明等單相負(fù)荷在系統(tǒng)分相時(shí)盡可能平衡即可。

4 變壓器容量選擇及運(yùn)行方式案例分析

按變壓器運(yùn)行低損耗和經(jīng)濟(jì)效果的影響選擇變壓器容量[10]。

（1）變壓器容量應(yīng)根據(jù)降低運(yùn)行損耗來選擇。從變壓器運(yùn)行損耗的角度來看，變壓器的運(yùn)行負(fù)荷率應(yīng)較低，損耗應(yīng)較小。一般情況下，平均負(fù)荷率應(yīng)為50%～70%。

（2）變壓器容量應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算選擇。按變壓器容量收取基本電價(jià)時(shí)，變壓器平均負(fù)荷率按變壓器一用一備運(yùn)行方式應(yīng)選擇的高些，通常為70%～90%[11]，按近年越來越多采用兩臺(tái)分列運(yùn)行方式應(yīng)選擇的低些，通常為50%～70%；按變壓器容量取消基本電價(jià)收費(fèi)時(shí)，兩臺(tái)分列運(yùn)行方式的干式變壓器的最佳效率點(diǎn)可選擇在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)內(nèi)，通常為50%～60%。

（3）變壓器容量選擇還應(yīng)考慮用電負(fù)荷等級(jí)及工程近遠(yuǎn)期預(yù)留等因素，進(jìn)行電能損耗和運(yùn)行費(fèi)用比較后確定。

4.1 凈水廠案例

凈水廠通常為直接由供電部門供電的大宗工業(yè)用戶，采用兩部電價(jià)制計(jì)費(fèi)，即基本電價(jià)和電度電價(jià)，而基本電價(jià)按常見的變壓器容量計(jì)費(fèi)的方式；運(yùn)行方式中一用一備的備用變壓器采用滿足凈水廠安全性要求常見的熱備用方式，此種方式供電部門要求備用變壓器容量須記入基本電價(jià)，即隨時(shí)可以投運(yùn)方式[10]。

基本條件：某凈水廠用電設(shè)備的計(jì)算容量1 000 kVA，計(jì)算負(fù)荷900 kW，其中二級(jí)負(fù)荷用電負(fù)荷為750 kVA，選用2臺(tái)SCBH17-NX2型變壓器，均采用分列運(yùn)行方式，以不同運(yùn)行方式及容量選擇列出3 個(gè)方案。從運(yùn)行可靠性、基本投資、年折舊維護(hù)、電能損耗和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面作比較如表3 所示。表中基本投資按變壓器價(jià)格130%計(jì)，年折舊和維護(hù)費(fèi)用按基本投資的10%計(jì)，基本電價(jià)按變壓器容量計(jì)為23元∕kVA∕月計(jì)算。

表3 某凈水廠變壓器電能損耗和運(yùn)行費(fèi)用比較

其中，變壓器運(yùn)行損耗功率為：

式中：ΔP0為變壓器空載有功損耗，kW，按2 級(jí)能效非晶合金變壓器相應(yīng)容量的最大限定值給出（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為變壓器滿載有功損耗，kW，按2 級(jí)能效非晶合金變壓器相應(yīng)容量的最大限定值給出（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為變壓器低壓側(cè)計(jì)算負(fù)荷，kVA，本案例取1 000 kVA；Se為變壓器額定容量，kVA，本案例一取1 250 kVA、案例二取2×1 000 kVA、案例三取2×800 kVA。

變壓器年運(yùn)行損耗電度為：

式中：t為變壓器全年投入運(yùn)行小時(shí)數(shù)，取8 760 h；τ為變壓器最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，按給排水行業(yè)經(jīng)驗(yàn)值取4 000 h。

年總運(yùn)行費(fèi)用按變壓器容量計(jì)，以年折舊維護(hù)費(fèi)、變壓器年運(yùn)行損耗電費(fèi)及按變壓器容量計(jì)年基本電價(jià)三者之和估算。

由表3可以得出：

（1）從全廠負(fù)荷保證率比較，方案1 安全性最高，但主要節(jié)能及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如變壓器運(yùn)行損耗功率、年總運(yùn)行費(fèi)用均為最高；

（2）從變壓器損耗量比較，變壓器運(yùn)行負(fù)荷率低的方案2損耗最?。?/p>

（3）從變壓器年總運(yùn)行費(fèi)用計(jì)比較，由于存在基本電價(jià)，變壓器運(yùn)行方式合理、負(fù)荷率比較低的方案3，變壓器年總運(yùn)行費(fèi)用最??；

（4）在現(xiàn)有供電部門計(jì)費(fèi)體制下，變壓器損耗量與變壓器年總運(yùn)行費(fèi)用存在一定負(fù)相關(guān)性，設(shè)計(jì)人員在凈水廠電氣系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)性與變壓器損耗量之間需要尋找到平衡點(diǎn)，從本案例中優(yōu)選方案3。

4.2 污水廠案例

污水廠通常為直接由供電部門供電的大宗工業(yè)用戶，如采用兩部電價(jià)制計(jì)費(fèi)方式，則污水廠對(duì)變壓器容量選擇及運(yùn)行方式與凈水廠是相同的，但近年來各地區(qū)出臺(tái)針對(duì)環(huán)保企業(yè)免除基本電價(jià)的政策越來越多，本案例按取消污水廠基本電價(jià)情況下做一個(gè)案例比選[10]。

基本條件：與凈水廠相同。從運(yùn)行可靠性、基本投資、年折舊維護(hù)、電能損耗和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面作比較如表4所示。表中基本投資同樣按變壓器價(jià)格130%計(jì)，年折舊和維護(hù)費(fèi)用按基本投資的10%計(jì)，但基本電價(jià)按環(huán)保企業(yè)享受政策優(yōu)惠即免除基本電價(jià)考慮。新增方案4按兩臺(tái)大容量變壓器負(fù)荷率40%運(yùn)行方式再做一個(gè)對(duì)比。

表4 某污水廠變壓器電能損耗和運(yùn)行費(fèi)用比較

其中，變壓器運(yùn)行損耗功率：

式中：ΔP0為變壓器空載有功損耗，kW，按2 級(jí)能效非晶合金變壓器相應(yīng)容量的最大限定值給出（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為變壓器滿載有功損耗，kW，按2 級(jí)能效非晶合金變壓器相應(yīng)容量的最大限定值給出（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為變壓器低壓側(cè)計(jì)算負(fù)荷，kVA，本案例取1 000 kVA；Se為變壓器額定容量，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。

變壓器年運(yùn)行損耗電度：

式中：t為變壓器全年投入運(yùn)行小時(shí)數(shù)，取8 760 h；τ為變壓器最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，按給排水行業(yè)經(jīng)驗(yàn)值取4 000 h。

年總運(yùn)行費(fèi)用按變壓器容量計(jì)，以年折舊維護(hù)費(fèi)、變壓器年運(yùn)行損耗電費(fèi)及按變壓器容量計(jì)年基本電價(jià)三者之和估算。

從表4中可以得出：

（1）從全廠負(fù)荷保證率比較，方案1 安全性最高，但主要節(jié)能及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如變壓器運(yùn)行損耗功率、年總運(yùn)行費(fèi)用均為最高；

（2）從變壓器損耗量比較，變壓器運(yùn)行負(fù)荷率低的方案4損耗最小；

（3）從變壓器經(jīng)濟(jì)效果比較，變壓器運(yùn)行方式合理、負(fù)荷率較低的方案2與方案3的變壓器年總運(yùn)行費(fèi)用略少；

（4）污水廠在免除基本電價(jià)政策下，變壓器損耗量與變壓器年總運(yùn)行費(fèi)用呈正相關(guān)性，設(shè)計(jì)人員在污水廠電氣系統(tǒng)中的可以充分考慮變壓器低損耗方案，從本案例中優(yōu)選方案2。

4.3 案例的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)分析[12]

傳統(tǒng)典型S 系列雙繞組變壓器綜合功率率與平均負(fù)荷系數(shù)β的函數(shù)特性曲線如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)典型S 系列雙繞組變壓器綜合功率率與平均負(fù)荷系數(shù)β的函數(shù)特性曲線

ΔPZ% =f(β)為傳統(tǒng)典型S 系列雙繞組變壓器綜合功率損耗率與平均負(fù)載系數(shù)β的函數(shù)特性曲線。變壓器綜合功率運(yùn)行區(qū)間的范圍劃分為：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為β2JZ≤β≤1，最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為1.33β2JZ≤β≤0.75，非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為0 ≤β≤β2JZ[6]。

本案例SCBH17-NX2 雙繞組變壓器綜合功率率與平均負(fù)荷系數(shù)β的函數(shù)特性曲線如圖2所示，只計(jì)算污水廠節(jié)能效果最好的案例2～案例4。

圖2 本案例雙繞組變壓器綜合功率率與平均負(fù)荷系數(shù)β的函數(shù)特性曲線

ΔPZ% =f(β)為本案例雙繞組變壓器綜合功率損耗率與平均負(fù)載系數(shù)β的函數(shù)特性曲線。本案例三種容量變壓器的綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)βJZ均在0.247～0.25 之間，則其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為0.06 ≤β≤1，最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為0.08 ≤β≤0.75，非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為0 ≤β≤0.06。

本案例兩臺(tái)分列同時(shí)運(yùn)行的變壓器按負(fù)載各50%計(jì)算，則單臺(tái)變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)據(jù)國(guó)標(biāo)GB∕T 13462-2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中附錄A 及6.1.1 節(jié)計(jì)算如下。

SCBH17-800∕10-NX2 變壓器的平均負(fù)載系數(shù)：

SCBH17-1000∕10-NX2 變壓器的平均負(fù)載系數(shù)：

SCBH17-1250∕10-NX2 變壓器的平均負(fù)載系數(shù)：

SCBH17-800∕10-NX2 變壓器的綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)：

式中：P0z為綜合功率空載損耗，P0Z=P0+KQQ0=0.57 kW；PKZ為綜合功率額定負(fù)載損耗，PKZ=PK+KQQK=8.665 kW；KT為負(fù)載波動(dòng)系數(shù)，KT=1.05。

SCBH17-1000∕10-NX2 變壓器的綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù):

式中：P0z為綜合功率空載損耗，P0Z=P0+KQQ0=0.67 kW；PKZ為綜合功率額定負(fù)載損耗PKZ=PK+KQQK=10.315 kW；KT為負(fù)載波動(dòng)系數(shù)，KT=1.05。

SCBH17-1250∕10-NX2 變壓器的綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù):

式中：P0z為綜合功率空載損耗，P0Z=P0+KQQ0=0.8 kW；PKZ為綜合功率額定負(fù)載損耗，PKZ=PK+KQQK=12.47 kW；KT為負(fù)載波動(dòng)系數(shù)，KT=1.05。

根據(jù)以上計(jì)算可以得出：首先，從圖2 可得出3 種容量SCBH17-NX2 變壓器的均落在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，相同負(fù)荷情況下，負(fù)荷率越低的變壓器越靠近綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，也就是變壓器運(yùn)行損耗功率越低，與案例計(jì)算中得出的結(jié)論相一致；其次，從圖1及圖2對(duì)比可得出，新型節(jié)能非晶合金變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)及最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)范圍大幅拓寬，說明新型節(jié)能變壓器的節(jié)能效果更為明顯，更值得在設(shè)計(jì)中大力推廣采用。

5 結(jié)束語

本文對(duì)傳統(tǒng)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的案例給予修正、補(bǔ)充，并通過對(duì)案例的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)分析驗(yàn)證，給出了給水排水工程中變壓器設(shè)計(jì)的最佳的運(yùn)行方式及負(fù)荷率區(qū)間。

同樣，通過案例及驗(yàn)證分析，可得出變壓器的選型應(yīng)結(jié)合新國(guó)標(biāo)《能效等級(jí)》GB20052—2020 及《提升計(jì)劃》的具體國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的導(dǎo)向，選擇符合產(chǎn)業(yè)政策新型節(jié)能高效變壓器。

除常規(guī)對(duì)變壓器進(jìn)行功率因素的合理控制、系統(tǒng)諧波的抑制以外，還需充分利用國(guó)家對(duì)污水廠類環(huán)保企業(yè)出臺(tái)的免除基本電價(jià)政策，突破兩臺(tái)變壓器傳統(tǒng)的一用一備運(yùn)行方式的束縛，選擇經(jīng)濟(jì)合理的兩臺(tái)分列運(yùn)行方式，尋找出變壓器損耗最少的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的負(fù)荷率，實(shí)現(xiàn)變壓器的節(jié)能及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。