民用智能建筑电气设计中的变压器节能技术分析

引言：

智能建筑中的电力负荷特征和电力变压器的能量消耗是当前“双碳”目标提出的重点。在智能建筑中，配电系统的总损耗中，约 35%～50% 来自变压器的能耗，因此提高变压器的能量利用率显得尤为紧迫[1]。GB/20052-2020 电力变压器节能技术规范为提高电力变压器的节能奠定基础[2]。通过对智能建筑中电力负荷特征分析，可以掌握智能建筑中电力负荷的能消耗，从而更易于指导智能建筑中电力负荷的节能减排，积极响应“双碳”的号召，促进建筑行业的绿色低碳发展。

1 智能建筑变压器运行特性分析

1.1 非线性负荷占比高

在智能建筑中，计算机、通讯设备和节能照明设备等都是非线性负荷。这些设备在运行中会生成不对称的电流，从而引起负荷电流波形的畸变。智能建筑中变压器运行具有较大的非线性负荷比例[3]。当非线性负荷连接到变压器上时，会引起变压器的损耗增大、温升增大、效率下降和寿命缩短。另一方面，由于电力系统中存在非线性负荷，负荷谐波对电力系统构成严重的污染，对其他用电设备的使用也有影响。因此，在智能化建筑的配电系统中，必须对非线性负荷的作用给予重视，并采取对应控制措施，以减少非线性负荷对配电系统的危害。

1.2 昼夜/季节负荷波动大

智能建筑中的电力负荷会因昼夜和季节等因素的影响产生波动。在白天工作日的作业期间，由于建筑物中的电力使用装置频繁，因此负荷处于峰值。另一方面，在夜间大部分设备停止运行，负荷显著降低[4]。如空调和加热设备的利用，负荷随季度变化而变化。如果变压器在负荷状态中均能保持较高的效率，就能避免浪费能源。因此，应使用能积极响应负荷的变化，对变压器进行实时调节的智能调节技术。

1.3 空载损耗占比过高

变压器空载损耗是变压器在无负荷情况下产生的能量损耗，它由铁芯的滞后损耗和绕组涡电流损耗组成。由于智能建筑中的变压器常处于备用模式，无功损耗所占的比例大。空载损耗既是一种能量损耗，又是一种引起变压器过热、缩短寿命的主要原因。为减少无负荷损耗，可以使用高效的新材料，如非晶合金材料，高效的新材料比常规硅钢板材料滞后损耗和涡电流损耗小。

2 民用智能建筑电气设计中的变压器节能技术

2.1 高效材料应用

在民用智能化建筑的电气设计中，采用高效节能材料是实现变压器节能降耗的重要手段。传统变压器中，铁芯的磁滞损耗和涡电流损耗较大，造成大量的能耗产生。而通过使用非晶合金等新材料，可以明显降低损耗。非晶合金由于矫顽力小、磁导率高，与常规的硅钢板相比，磁滞损耗更小。实践证明，采用非晶合金铁芯后，变压器空载时的损耗可以减少 70%～80% ，具有较高的实用价值。当变压器未操作或在低负荷下操作时，可以显著降低不需要的功耗。这些绝缘体不但能提供优异的绝缘特性，而且具有能耐受较高温度的能力，从而提升变压器操作的可靠性。利用新绝缘纸、新绝缘涂料，减少变压器的绝缘损耗，可延长变压器的寿命。通过高效节能材料，可使电力变压器的能效得到大幅度提升，从而为智能民用建筑节能降耗起到推动作用。

2.2 智能调控技术

2.2.1 动态调容变压器

动态调容是变压器智能控制技术在变压器节能中的重要应用，民用智能建筑中的电力负荷会因时间和用途不同产生波动。传统变压器具有固定容量，且是在负荷低的情况下处于轻载运行模式操作，该模式下变压器损耗大，能源利用效率较低。动态调容变压器是根据负荷变化而进行自动调容的变换器。在负荷小的情况下，变压器可自行转换为低压，降低空载损耗。当负荷增加后，该变压器可快速转换为大容量操作，以满足负荷需求。其动态容量调节能力允许变压器在有效操作范围内操作，从而有效提高了能源利用效率。

例如在居民小区中，白天电力负荷低，动态电容变压器转换至小容量模式。而夜间居民使用电力装置用电量能耗大导致负荷增加，此时变压器转换至高功率模式以满足负荷要求，同时可以降低变压器的能耗，实现节能目标。

2.2.2 基于 IoT 的负荷优化分配

基于物联网的变压器最优负荷配置方法，为变压器节能提供了新的思路。通过在民用智能化建筑物中配置多台传感器、智能设备，可实现对民用建筑电气设备的负荷状况和工作状况的实时监控。这些信息会被传送到物联网智能传感器中，系统根据预设的算法和规则，实现负荷优化分配。该智能控制系统可根据用户使用顺序、时间、负荷大小等对变压器输出进行调节，从而解决电力系统在运行中，可能发生的局部过负荷和局部轻负荷现象。

2.3 系统级节能设计

2.3.1 分布式变压器布局

变压器的常规中央布置在功率传送期间引起高的线损耗，在分布式变压器布局中，变压器被分散设置在不同功率消耗区，从而减少功率传送距离，降低了线路损耗。在商用建筑中，分布式变压器布局则是将变压器分散布置在各个用电区域附近，缩短了电力传输距离，降低了线路损耗。此外分布式变压器布置能够改善电力供应的可靠度。另外，由于该系统在变电站发生故障后，不会影响其他区域的正常供电，因此可以缩短停电时间，缩小停电范围，。分布式配电变压器的合理配置，可以使智能民用电力系统达到最优运行状态，从而达到节能降耗、改善供电质量的目的。

2.3.2 谐波抑制综合方案

谐波是目前民用智能建筑电气系统中常见的问题，其主要表现为：电力系统中的谐波使电力变压器损耗增大、降低电能质量，严重时会对电气使用造成不良影响。因此，在电力系统节能设计中，采用综合谐波治理方案是系统级节能设计的重要内容。

从谐波滤波器的安装、电气设备的优化选择、电网监控三个方面提出谐波治理的整体方案。陷波滤波器是有效过滤电力系统中产生的高次谐波，减少谐波对变压器的影响。选择电气时，应选用低谐波电气，降低谐波对电网的影响。并加强电力系统的谐波监测，对电力系统的谐波状况进行实时监控，对出现的谐波问题进行及时地检测和解决。综上提出电力系统谐波治理的集成方法，可降低电力变压器的能耗，从而使民用智能建筑电气系统运行更加稳定、可靠。

总结：

总而言之，在负荷比小于 35% 的情况下，非晶合金变压器优于常规变压器，在节能降耗方面优势显著，为非晶合金变压器在智能化建筑中的使用提供可行性。此外从材料更新、智能调控、系统优化三位一体的智能建筑节能战略出发，提高智能建筑能源利用效率，减少能源的损耗，配合可根据实际负荷进行柔性调整的智能化控制，期望促进智能建筑电力系统实现更高效、更绿色的运行。

参考文献：

[1]韦智超. 民用智能建筑电气设计中的变压器节能技术研究[J]. 智能城市应用,2023,6(4).

[2]闫峰. 民用智能建筑电气设计中的变压器节能技术与应用[J]. 低温建筑技术,2022,44(1):45-48.

[3] 刘 荣 福 . 建 筑 电 气 设 计 中 的 节 能 措 施 [J]. 晋 城 职 业 技 术 学 院 学报,2019,2(1):74-76.

[4]张上新. 浅谈合理的民用建筑电气设计及节能措施[J]. 城市建设理论研究（电子版）,2023(19)：54.