核電廠主泵專用變壓器1級(jí)能效限值推算

李 燁，趙厚欽

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；2.上海浩晟網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，上海 200041）

第三代核電某核電機(jī)組具有一個(gè)主泵（反應(yīng)堆冷卻劑泵，簡(jiǎn)稱主泵）專用三相雙繞組變壓器。該變壓器額定容量16 MVA，額定電壓10/6.3（7.2） kV，二次側(cè)電壓根據(jù)主泵額定電壓確定，其技術(shù)規(guī)范書(shū)中要求“變壓器損耗限值參考《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》（GB/T 10228-2015）”；但在GB/T 10228-2015中，對(duì)于10.5 kV/6.9 kV干式變壓器適用的容量最大只到6300 kVA，不適用16 MVA變壓器。目前也未有相關(guān)變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)適用于16 MVA/10.5 kV/6.9 kV的變壓器。針對(duì)節(jié)能環(huán)保的大方向，采購(gòu)方與設(shè)計(jì)方最終商定，主泵專用變壓器參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)按照 1級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行損耗值推算，其推算結(jié)果作為供應(yīng)商設(shè)計(jì)變壓器能耗的最低要求。

1 主泵專用變壓器

在該核電機(jī)組中，主泵電壓為6 kV（屏蔽泵）或6.9 kV（濕繞組泵），頻率為50 Hz。變頻器在啟動(dòng)主泵階段投入使用，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到50 Hz，主泵穩(wěn)定運(yùn)行后，將主泵的電源由變頻器輸出供電同步切換到廠用電電網(wǎng)旁路供電，因此需要主泵專用變壓器將中壓10.5 kV電源降至6 kV或者6.9 kV后向主泵供電。表1為主泵專用變壓器的技術(shù)參數(shù)。

表1 技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical parameter

2 變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)

變壓器能效等級(jí)分為3級(jí)，1級(jí)能效最高，損耗最低。其中空載損耗和負(fù)載損耗是在規(guī)定測(cè)試條件下允許的最高限制。變壓器的損耗主要受變壓器工藝設(shè)計(jì)、變壓器生產(chǎn)設(shè)備、鐵芯材料三個(gè)方面的影響［4］，并不是能效越低越好，需兼顧功能、環(huán)保與成本。

目前，關(guān)于干式變壓器能效的標(biāo)準(zhǔn)主要有：《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》（GB/T 10228-2015），對(duì)于10 kV電壓等級(jí)變壓器，額定容量適用范圍為30～2500 kVA，但35 kV電壓等級(jí)變壓器的適用容量范圍為800～25000 kVA；《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》（GB 20052-2013）也僅適用于10 kV電壓等級(jí)，額定容量為30～2500 kVA的干式變壓器；中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《6 kV～35 kV變壓器能效限定值及能效等級(jí)》（T/CEEIA 258-2016）中，針對(duì)10 kV電壓等級(jí)電力變壓器適用容量范圍為630～6300 kVA。以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均不適用于16000 kVA/10.5 kV/6.9 kV變壓器能效的損耗要求。因此，依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1級(jí)能耗的合理推算是解決此問(wèn)題的一個(gè)思路。

3 變壓器按1級(jí)能效推算空載損耗和負(fù)載損耗具體過(guò)程

下面結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB 20052-2013、GB/T 10228-2015和T/CEEIA 258-2016，通過(guò)三種推算方式計(jì)算出主泵專用變壓器1級(jí)能效的空載損耗和負(fù)載損耗值。

3.1 推算方法一：以GB/T 10228中35 kV/ 16000 kVA電力變壓器損耗（3級(jí)能效），按照GB -20052的推算比例折算出其對(duì)應(yīng)的1級(jí)能效

通過(guò)GB/T 10228和GB 20052兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能效參數(shù)對(duì)比，GB/T 10228中對(duì)應(yīng)不同電壓不同容量變壓器能效只出了一個(gè)等級(jí)的損耗值，且相當(dāng)于GB 20052中同電壓同容量變壓器的3級(jí)能效值。首先根據(jù)GB 20052折算出同容量變壓器1級(jí)能效與3級(jí)能效的比例關(guān)系，其次根據(jù)GB/T 10228中35 kV/16000 kVA電力變壓器損耗（3級(jí)能效），根據(jù)GB 20052的折算比例，折算出與主泵專用變壓器同容量 16000 kVA/10.5 V/6.9 V的1級(jí)能效值。

根據(jù)GB/T 10228同一容量可對(duì)應(yīng)幾個(gè)不同變比，此處忽略電壓等級(jí)問(wèn)題。

（1） GB 20052-2013給出了典型的配電變壓器能效等級(jí)損耗（見(jiàn)表2，額定容量適用于30～2500 kVA，此處僅列出額定容量為2000 kVA和2500 kVA）。

從表2可以看出，額定容量為2500 kVA，電工鋼帶型變壓器的能效如下。

表2 干式配電變壓器能效等級(jí)Table 2 Energy efficiency grade of dry-type distribution transformer

1級(jí)能效：對(duì)應(yīng)的空載損耗為2590 W，負(fù)載損耗（100℃）為14535 W。

3級(jí)能效：對(duì)應(yīng)的空載損耗為3600 W，負(fù)載損耗（100℃）為16150 W。

計(jì)算可知，1級(jí)能效空載損耗較3級(jí)能效空載損耗下降28%，負(fù)載損耗下降10%。

對(duì)于額定容量為2000 kVA的電工鋼帶型變壓器，空載損耗和負(fù)載損耗存在同樣的下降比例。由此推算，1級(jí)能效空載損耗限值較3級(jí)能效空載損耗限值近似線性關(guān)系；1級(jí)能效負(fù)載損耗限值較3級(jí)能效負(fù)載損耗限值也近似線性關(guān)系。

根據(jù)上述規(guī)律，推算16000 kVA變壓器的1級(jí)能效空載損耗較3級(jí)能效空載損耗下降28%，1級(jí)能效負(fù)載損耗較3級(jí)能效負(fù)載損耗下降10%。

（2） GB/T 10228-2015標(biāo)準(zhǔn)給出了6 kV、10 kV電壓等級(jí)的630～6300 kVA電力變壓器的損耗。但表3中只給出了6 kV/10 kV電壓等級(jí)，最大容量6300 kVA的變壓器，而沒(méi)有16000 kVA容量的對(duì)應(yīng)值。

表3 6 kV/10 kV級(jí)630～6300 kVA無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器Table 3 630～6300 kV excitation-free voltage regulating power transformer of 6 kV/10 kV class

其中，在GB/T 10228-2015中給出了800～ 25000 kVA，35 kV/10 kV電力變壓器的損耗標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表4。

根據(jù)表4，35 kV級(jí)16000 kVA變壓器3級(jí)能效空載損耗為19.3 kW，負(fù)載損耗（100℃）為71.7 kW。結(jié)合上述折算比例，空載損耗和負(fù)載損耗如下。

表4 35 kV級(jí)800～25000 kVA無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器Table 4 800～25000 kVA excitation-free voltage regulating power transformer of 35 kV class

空載損耗：19.3×（1-0.28）=13.896≈13.90 kW

負(fù)載損耗（100℃）：71.7×（1-0.1）=64.53 kW

3.2 推算方法二：以GB/T 10228中10 kV對(duì)應(yīng)6300 kVA數(shù)據(jù)按經(jīng)驗(yàn)公式推算16000 kVA 3級(jí)能效損耗，再按照比例進(jìn)行能效1級(jí)折算

以GB/T 10228-2015對(duì)應(yīng)6300 kVA 10～ 6.9 kV的3級(jí)能效損耗，根據(jù)公式推算16000 kVA 3級(jí)能效損耗，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) T/CEEIA 258-2016進(jìn)行能效1級(jí)折算。T/CEEIA 258-2016標(biāo)準(zhǔn)給出了對(duì)應(yīng)GB/T 10228-2015的1級(jí)能效的損耗水平。具體見(jiàn)表5、表6。

根據(jù)表5和表6，其基本原則是1級(jí)能效相較于3級(jí)能效，空載損耗下降20%，負(fù)載損耗（100℃）下降10%。

以GB/T 10228-2015對(duì)應(yīng)6300 kVA 10～ 6.9 kV的3級(jí)能效損耗，根據(jù)變壓器經(jīng)驗(yàn)公式推算16000 kVA 3級(jí)能效損耗，再按T/CEEIA 258-2016進(jìn)行能效1級(jí)折算，具體計(jì)算如下。

3.3 推算方法三：以GB/T 10228中10 kV對(duì)應(yīng)6300 kVA按乘冪擬合方式推算16000 kVA 3級(jí)能效損耗，再按照比例進(jìn)行能效1級(jí)折算

以GB/T 10228-2015對(duì)應(yīng)630～6300 kVA、10 kV/6.9 kV的3級(jí)能效損耗，根據(jù)乘冪擬合（y= axb+c）推算16000 kVA 3級(jí)能效損耗，再按T/CEEIA 258-2016進(jìn)行能效1級(jí)折算。

（1）利 用Matlab工 具 對(duì)630～6300 kVA 10kV/6.9kV的3級(jí)能效損耗進(jìn)行乘冪擬合，見(jiàn)表7。

空載損耗擬合曲線如下：y=0.01439x0.734-0.303負(fù)載損耗擬合曲線如下：y= 0.0498x0.7437-0.05986

圖1 Matlab工具下的空載損耗擬合曲線Fig.1 Fitting curve of no-load loss under MATLAB tool

圖2 Matlab工具下的負(fù)載損耗擬合曲線Fig.2 Fitting curve of load loss under MATLAB tool

（2）計(jì)算1級(jí)能效損耗：

空載損耗：（1-0.2）×（0.01439×160000.734-0.303）≈13.79 kW

負(fù)載損耗（100℃）：（1-0.1）×（0.0498× 160000.7437-0.05986）≈59.94 kW

3.4 推算結(jié)果總結(jié)

根據(jù)以上分析，可以得出幾種推算方案的損耗，見(jiàn)表8。

根據(jù)以上推算得出的三組數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析，建議該變壓器的能效限定值選擇空載損耗小于14 kW，負(fù)載損耗小于65 kW的范圍。

4. 總結(jié)

根據(jù)上述三種推算方法，推算出了某核電機(jī)組主泵專用變壓器1級(jí)能效對(duì)應(yīng)的空載損耗和負(fù)載損耗的限定值。此限定值作為采購(gòu)招標(biāo)、供應(yīng)商設(shè)計(jì)制造的必要條件，對(duì)選擇和制造出滿足高能效要求的變壓器具有指導(dǎo)意義。

另外，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)新的版本GB 20052-2020將于2021年6月1日正式實(shí)施，對(duì)能效要求進(jìn)行了升級(jí)，要求損耗更低，選用高能效的變壓器是一個(gè)大趨勢(shì)，對(duì)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。同時(shí)，也建議后續(xù)修改相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中能夠涵蓋大容量變壓器的能效限定值。

表5 6 kV、10 kV級(jí)630～6300 kVA三相干式電工鋼帶鐵心無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)《T/CEEIA 258—2016》Table 5 630～6300 kVA three-phase dry-type electrical steel belt core non-excitation voltage regulating power transformer of 6 kV/10 kV class energy efficiency limit value and energy efficiency grade （T/CEEIA 258-2016）能效等級(jí)1 3容量/KVA電壓組合及分接范圍聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)空載/KW 損耗不絕系統(tǒng)度下負(fù)載耗/KW空載KW 損耗/不絕系統(tǒng)溫下負(fù)載耗/KW高壓/KV高壓分接低壓/KV同130℃緣B（100℃）溫155℃的F（120℃）損180℃H（145℃）同130℃緣B（100℃）度155℃的F（120℃）損180℃H（145℃）6300 1010.511±2×2.5±5 33.1566.3 Dyn11 Yd11 Yyn0 6.8 30.0 31.8 34.0 8.5 33.3 35.3 37.8

表6 35 kV級(jí)800～25000 kVA三相干式電工鋼帶鐵心無(wú)勵(lì)磁電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)《T/CEEIA 258—2016》Table 6 35 kV 800～25000 kVA three-phase dry-type electrical steel belt core unexcitation power transformer energy efficiency limit value and energy efficiency grade（T/CEEIA 258-2016）能效等級(jí)1 3容量/kVA電壓組合及分接范圍結(jié)聯(lián)標(biāo)組號(hào)空載/kW 損耗不絕系統(tǒng)度下負(fù)載耗/kW空載/kW 損耗不絕系統(tǒng)度下負(fù)載耗/kW高壓/kV高壓分接低壓/kV同130℃緣B（100℃）溫155℃的F（120℃）損180℃H（145℃）同130℃緣B（100℃）溫155℃的F（120℃）損180℃H（145℃）16000 35363738.5±2×2.5±5 66.31010.511 Dyn11 Yd11 YNd11 15.4 64.4 68.4 73.2 19.3 71.7 76.0 81.3

表7 630～6300 kVA 10 kV/6.9 kV的變壓器3級(jí)能效損耗數(shù)據(jù)Table 7 Level 3 energy efficiency loss data of 630～6300 kVA 10 kV/6.9 kV transformer能效損耗/kW容量/kVA 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300空載損耗/kW 1.44 1.62 1.94 2.34 2.79 3.60 4.23 5.04 6.03 7.20 8.50負(fù)載損耗/kW 6.00 7.17 8.28 9.86 12.0 14.3 16.8 19.7 23.7 28.0 33.3