新型節(jié)能變壓器的研究與應(yīng)用

熊天哲，孫羽，陳意

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

能源是國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力。能源對人類社會(huì)越來越重要。中國提出把節(jié)約能源作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。當(dāng)今能源發(fā)展的重點(diǎn)是能源，電力系統(tǒng)的節(jié)能問題備受關(guān)注。澄海供電局安裝的新變壓器不再采用舊變壓器型號。S11變壓器試運(yùn)行。節(jié)能變壓器經(jīng)過2004年和2010年兩次升級改造，近10年來得到了廣泛應(yīng)用，變損得到有效降低，澄海供電局線損管理在廣東省縣級分局業(yè)績排名中位居第一，有效提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

由于我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)和企業(yè)電網(wǎng)中存在大量高能耗的老變壓器，變壓器的能量損失非常大。在20世紀(jì)60年代和70年代，不僅有大量的老變壓器，而且總數(shù)超過100萬臺(tái)，占生產(chǎn)能力的40%以上。我國電網(wǎng)線損率過高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的科技含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。電網(wǎng)更新速度慢的主要原因是電網(wǎng)技術(shù)水平低。由于使用的變壓器較多，我國電網(wǎng)線損率過高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的科技含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。老變壓器改造速度慢的主要原因是資金不足，耗能設(shè)備觀念更新，管理滯后，技術(shù)經(jīng)濟(jì)決策失誤。

1 配電變壓器的發(fā)展

1980年以前生產(chǎn)的SJL和SL1（60年代和70年代按“64”和“73”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)）負(fù)載率為100%，平均空載損耗為23%，平均負(fù)載損耗為20%，平均總損耗為21%，損耗大于S9，平均空載損耗為24.7%。國家宣布高損耗變壓器是過時(shí)的產(chǎn)品。國內(nèi)許多變壓器生產(chǎn)企業(yè)投入巨資引進(jìn)新技術(shù)、新設(shè)備，國外先進(jìn)制造業(yè)不斷開發(fā)新產(chǎn)品。低損耗、結(jié)構(gòu)多樣化的變壓器。

1.1 S11系列配電變壓器

S11系列包括卷取芯和疊層芯兩種。卷取芯分為平面卷取芯和三維卷取芯。

S11線圈鐵芯變壓器（典型型號：S11-m.r）。這種類型的配電變壓器是在20世紀(jì)90年代在中國發(fā)展起來的。最重要的特點(diǎn)是鐵芯采用無縫連續(xù)卷繞的片狀硅鋼片。其主要優(yōu)點(diǎn)是：

線圈鐵心本身無縫緊湊，工作噪音降低到30～45dB，遠(yuǎn)優(yōu)于國標(biāo)（44～57db）。環(huán)境友好，適合建筑物和房屋的安裝和使用；

裝置本體的短路電阻優(yōu)于疊層鐵芯。

鐵芯和線圈采用特殊的纏繞方式。

繞組鐵芯變壓器故障：①鐵心退火工藝十分必要；鐵芯繞組和線圈繞組需要專用設(shè)備；鐵芯和繞組的維護(hù)非常困難。

目前，中國市場的主要供應(yīng)商是平面線圈鐵芯的經(jīng)銷和加工。平面線圈鐵芯有梯形和R型兩種結(jié)構(gòu)。

在S9系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了S11型定心變壓器（典型型號：S11-M）和S11型疊片鐵芯配電變壓器。其主要特點(diǎn)是鐵芯采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片，磁導(dǎo)率高，損耗低，減少空載損耗。

1.2 單相配電變壓器

安裝方便，靠近負(fù)荷中心，一般密封，維修量少?，F(xiàn)有材料數(shù)量少，價(jià)格便宜20%～30%。在一些地區(qū)重組后，中國非常受用戶歡迎。

1.3 非晶合金配電變壓器

自1979年中國聯(lián)通發(fā)明非晶合金以來，非晶合金配電變壓器的空載損耗比硅鋼片降低了70%～80%，缺點(diǎn)是飽和磁場密度低。磁芯質(zhì)量比冷軋硅鋼高30%，相對含銅量高。體積越大，制造成本越高，價(jià)格也越高。

1.4 干式配電變壓器

浸漬干式變壓器（Nomex紙）是最早用于干式變壓器的結(jié)構(gòu)之一。它是一個(gè)開放式通風(fēng)干式變壓器（OVDT）。繞組之間和繞組之間的絕緣材料為聚酯紙或聚芳基合成紙（Nomex紙）。由于Nomex紙的耐熱性，采用這種結(jié)構(gòu)的繞組經(jīng)真空壓力浸漬（VPI）處理后具有足夠的短路電阻。C級溫度（220℃）是一種耐熱、阻燃的絕緣材料。變壓器目前占美國干式變壓器市場的85%。

1.5 箱式變壓器簡稱箱變，又稱預(yù)制式變電站

大部分功能部件和變壓器本體浸入變壓器殼體中，由變壓器制造商制造。箱變靠近負(fù)荷中心，減少線損和體積，占地面積小，安裝靈活，傳輸周期短，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，安全可靠。是一種節(jié)能型配電變壓器。缺點(diǎn)是按一定的接線方式設(shè)計(jì)制造困難，二次配電小，不能滿足多回路低壓出線的要求。

1.6 三角形高效節(jié)能變壓器

新型高效三角繞組節(jié)能變壓器打破了傳統(tǒng)三相變壓器的布置方式。三相變壓器的鐵芯由三個(gè)具有相同半圓截面的鐵芯框架組成。具有勵(lì)磁電流小、諧波含量低、空載損耗小、無功功率因數(shù)高、無功功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)變壓器相比，空載損耗降低46.8%，負(fù)載損耗降低7.5%，油箱容積降低1/4，質(zhì)量降低1/5，空載電流諧波降低80%。工作噪聲降低13dB。是一種高效、節(jié)能、綜合性能好的配電變壓器。

油浸式配電變壓器是目前配電變壓器的主要產(chǎn)品。隨著變壓器制造技術(shù)的發(fā)展，對油浸式配電變壓器的性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了比較分析。隨著新材料、新技術(shù)的不斷應(yīng)用，對油浸式配電變壓器的性能進(jìn)行了分析。油浸式配電變壓器是近年來發(fā)展起來的一種新型替代產(chǎn)品。

S7.S9和S11 200KVA配電變壓器損耗參數(shù)的比較如表1所示，對S9和S7進(jìn)行比較分析。

表1 不同型式的200kVA配電變壓器損耗參數(shù)對比

在實(shí)際應(yīng)用中，配電變壓器的負(fù)荷率往往難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。以80%負(fù)荷率為例，按S11系列16200kwh、S9系列18780kwh、S7系列23950kwh計(jì)算各系列200KVA配電變壓器的年有功損耗。

1.7 節(jié)能配電變壓器的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)評價(jià)

輸電變壓器的選擇不僅要考慮節(jié)能，還要考慮經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能的關(guān)鍵之一是損耗，因此經(jīng)濟(jì)分析從損耗值和價(jià)格的角度出發(fā)，增加鐵心和繞組的導(dǎo)體斷面面積，增加電磁密度和電流密度，降低損耗，生產(chǎn)線圈鐵心變壓器的新設(shè)備，采購成本高，生產(chǎn)成本增加，鐵基非合金變壓器的價(jià)格比硅鋼片貴，非合金變壓器的價(jià)格明顯高，如設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)換掉降低變壓器的制造成本降低變壓器的制造成本等新技術(shù)[1-2]。購買新材料，減少變壓器的銷售損耗，必將增加變壓器的制造成本和產(chǎn)品價(jià)格，變壓器的產(chǎn)品價(jià)格與損耗參數(shù)成反比，即損耗越小，產(chǎn)品價(jià)格越高，變壓器容量的選擇可以達(dá)到節(jié)能降耗的相對單位[3]，世界上對變壓器能效的評價(jià)方法很多，其中總擁有成本法（TCO）最為常見。在各可行的技術(shù)體系中，對變壓器的總擁有成本進(jìn)行了分析，并考慮了價(jià)格的影響，從電價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對變壓器經(jīng)濟(jì)性的影響來看，在評估和選擇變壓器時(shí)，最低總擁有成本法是一個(gè)簡單的定量概念有助于合理理解和選擇變壓器：

式中，CT為變壓器價(jià)格（元）；P0為空載損耗（W）；ΔPk為負(fù)載損耗（W）；A為空載損耗等初始費(fèi)用（元/W）；B為負(fù)載損耗等初始費(fèi)用（元/W）。該方法科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理?？紤]變壓器價(jià)格、損耗、負(fù)荷特性、電價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對變壓器經(jīng)濟(jì)性的影響。采用最低總擁有成本法對在役變壓器進(jìn)行評估和選擇，可以形成一個(gè)簡單的量化概念，有助于投資者合理理解和選擇在役變壓器。經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益分配[4-5]。

2 變壓器更新?lián)Q代的節(jié)電潛力與社會(huì)效益

當(dāng)前，在老變壓器改造升級過程中，既要淘汰老變壓器，又要淘汰老變壓器。同時(shí)，在低變壓器投資的基礎(chǔ)上，優(yōu)化新變壓器的選型，充分考慮運(yùn)行的節(jié)能效果，不選擇投資低、能耗高的S7變壓器。S9通過良好的節(jié)能效果，可以快速回收大量投資。

2.1 老舊變壓器更新要劣中汰劣

現(xiàn)在很多企業(yè)都有舊變壓器，加快舊變壓器的現(xiàn)代化改造可以給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但由于舊變壓器數(shù)量較多，不可能在一年內(nèi)全部更換，因此應(yīng)每年更新一次，淘汰許多舊變壓器。以最大的損耗定量更換舊變壓器，消除用同一投資資金節(jié)能的最薄弱的技術(shù)特點(diǎn)。舊變壓器的改造和準(zhǔn)備不能完全以電廠的壽命為依據(jù)，而必須進(jìn)行定量計(jì)算以消除誤差。

2.2 備用變壓器可暫不更新

一些重要的電力負(fù)荷有備用變壓器。為保證供電安全，備用變壓器必須在運(yùn)行變壓器故障排除后才能投入運(yùn)行。如蘭州石化公司老變電所使用了兩臺(tái)變壓器，一臺(tái)投入使用。另一臺(tái)備用變壓器未升級改造，年總節(jié)能58萬多kW·h。與全部升級改造的變壓器相比，節(jié)能近100萬元，容量成本降低80多萬元。

2.3 新型變壓器選型要優(yōu)中選優(yōu)

目前，高性能變壓器主要是非晶變壓器和S9變壓器。采用節(jié)能型非晶變壓器和S9變壓器代替舊變壓器。采用S9變壓器代替S7變壓器，并對新變壓器的選型進(jìn)行了計(jì)算。配電變壓器范圍大，選用630kVA和800kVA。計(jì)算結(jié)果以1000KVA和1250kva為例，S9型變壓器的采購成本比S7型變壓器高出約1萬元，但其資金只能在1～2年內(nèi)收回。投資回收后，變壓器壽命期內(nèi)總節(jié)能效果為20萬～40萬kW，總價(jià)值13～28萬元。加快舊變壓器的現(xiàn)代化改造，收購S9變壓器，是減少損失、提高企業(yè)效益的途徑。

3 結(jié)論

能源是現(xiàn)代社會(huì)人們生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。從2003年起，澄海供電局安裝的新變壓器不再使用舊變壓器型號，S11變壓器已經(jīng)過試驗(yàn)。2004年全廠油浸式變壓器為S11變壓器。用戶的sl7、S7系列配電變壓器在使用前應(yīng)更換為S11及以上系列變壓器。到2010年，供電局新安裝的油浸式電站變壓器將開始使用S13和SH15，SC10及以上變壓器將用于干式變壓器。同時(shí)，將澄海供電局線損管理作為全省重點(diǎn)縣級子公司之一，有效提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，加快我國老變壓器改造，優(yōu)化S9變壓器具有節(jié)能、環(huán)保、地質(zhì)資源保護(hù)和現(xiàn)代化效益。與此同時(shí)，中國電網(wǎng)的線損也在下降。與世界的差距正在縮小，這也有利于我國的振興。