非晶合金變壓器及其在成都地鐵30號(hào)線(xiàn)的應(yīng)用

付 莉，王永恒，王施宇

0 引言

近年來(lái)，作為軌道交通的重要系統(tǒng)，供電系統(tǒng)不斷探討適應(yīng)節(jié)能環(huán)保發(fā)展的新趨勢(shì)。干式配電變壓器作為供電系統(tǒng)核心動(dòng)力設(shè)備[1，2]，探討其節(jié)能減排策略具有重要意義。

本文調(diào)研分析配電變壓器實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)及節(jié)能需求，對(duì)比分析非晶合金變壓器與普通硅鋼片配電變壓器主要技術(shù)參數(shù)，并結(jié)合成都地鐵30號(hào)線(xiàn)一期工程進(jìn)一步探討非晶合金變壓器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

1 既有配電變壓器的負(fù)載率及節(jié)能需求

截至2021年7月，全國(guó)（不含港澳臺(tái)）共47個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線(xiàn)路246條，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)7 961 km，其中上海和成都地鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)766 km和557.8 km，對(duì)上海和成都地鐵采用的硅鋼片配電變壓器進(jìn)行分析，具有一定代表性。

1.1 成都地鐵4號(hào)線(xiàn)配電變壓器的負(fù)載率

成都地鐵4號(hào)線(xiàn)于2015年12月底開(kāi)通，該工程配電變壓器選用戶(hù)內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂整體澆注干式變壓器。對(duì)成都地鐵4號(hào)線(xiàn)配電變壓器設(shè)計(jì)容量和實(shí)際運(yùn)營(yíng)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，其31個(gè)變電所中僅6個(gè)變電所配電變壓器負(fù)荷率遠(yuǎn)大于30%，其余25個(gè)變電所配電變壓器負(fù)荷率在 30%左右，占全線(xiàn)80%。

1.2 上海地鐵9號(hào)線(xiàn)配電變壓器的負(fù)載率

上海地鐵9號(hào)線(xiàn)于2007年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，該工程配電變壓器選用戶(hù)內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂整體澆注干式變壓器。選取上海9號(hào)線(xiàn)中佘山站（高架站）、小南門(mén)站（地下標(biāo)準(zhǔn)站）、徐家匯站（地下樞紐站、3線(xiàn)換乘）3類(lèi)典型變電所，對(duì)其 2013—2019年歷年8月份（全年用電最高月份）用電量進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，如圖1所示（單位：萬(wàn)度）。

圖1 上海地鐵9號(hào)線(xiàn)3類(lèi)典型變電所8月份用電量

按照6：00～23：00為地鐵工作時(shí)間，車(chē)站各系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)荷工作，非工作時(shí)間負(fù)荷按50%，可計(jì)算3座典型車(chē)站干式配電變壓器平均負(fù)載率，如表1所示。

表1 上海地鐵9號(hào)線(xiàn)3類(lèi)典型變電所配電變壓器負(fù)載率

由表1可知，在全年用電量最高月份，高架站、地下標(biāo)準(zhǔn)站、地下樞紐站3類(lèi)典型變電所實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中配電變壓器負(fù)荷率為11%～34%，可知其他月份配電變壓器負(fù)荷率均小于30%。

綜上所述，城市軌道交通中的干式配電變壓器長(zhǎng)期處于輕載狀態(tài)。

1.3 配電變壓器的節(jié)能分析

地鐵配電變壓器供電范圍內(nèi)的動(dòng)力照明設(shè)備涉及通風(fēng)空調(diào)、電扶梯、通信、信號(hào)、給排水、消防、屏蔽門(mén)等多專(zhuān)業(yè)和系統(tǒng)，其中通風(fēng)與空調(diào)、扶梯與電梯、照明負(fù)荷為地鐵動(dòng)力照明負(fù)荷的主要類(lèi)型，這些負(fù)荷運(yùn)行模式復(fù)雜，使得在選擇變壓器容量時(shí)，除需滿(mǎn)足正常運(yùn)行的負(fù)荷外，還應(yīng)考慮最不利的情況，即一臺(tái)變壓器退出時(shí)，另一臺(tái)變壓器能負(fù)擔(dān)變電所供電范圍內(nèi)的遠(yuǎn)期一、二級(jí)負(fù)荷（《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157））。因此，目前地鐵配電變壓器在正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率會(huì)相對(duì)較低，特別是在夜間地鐵停運(yùn)時(shí)，負(fù)載率會(huì)更低（10%以下）。

在配電變壓器運(yùn)行時(shí)，變壓器損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗?？蛰d損耗是不變的，負(fù)載損耗與負(fù)載率成正比，負(fù)載率低時(shí)，空載損耗是變壓器的主要損耗?；谶@種情況，采用空載損耗低的節(jié)能型變壓器，對(duì)于長(zhǎng)期輕載運(yùn)行的變壓器節(jié)能效果顯著。目前，節(jié)能型變壓器包括非晶合金變壓器和卷鐵心變壓器，本文主要探討非晶合金變壓器。

2 非晶合金變壓器與硅鋼片變壓器的對(duì)比分析

2.1 非晶合金變壓器及其應(yīng)用

配電變壓器鐵心材料由硅鋼片替換成非晶合金卷材，采用矩形截面、四框五柱結(jié)構(gòu)，即為非晶合金變壓器。非晶合金變壓器是國(guó)家從2000年開(kāi)始鼓勵(lì)發(fā)展的第一批環(huán)保產(chǎn)業(yè)設(shè)備，是節(jié)能、安全、綠色環(huán)保型高技術(shù)產(chǎn)品（國(guó)經(jīng)貿(mào)資源[2000]159號(hào)），具有低噪音、低能耗、絕緣等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)[3]，其空載損耗較常規(guī)硅鋼片變壓器下降70%，空載電流下降90%以上。

非晶合金材料早在20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，其具有優(yōu)異的導(dǎo)磁性、耐蝕性、耐磨性，高硬度、高強(qiáng)度、高電阻率等諸多獨(dú)特性能[4]。1978年美國(guó)首先研制出 10 kV·A非晶合金鐵心變壓器，1982年第一臺(tái)非晶合金配電變壓器在美國(guó)掛網(wǎng)運(yùn)行[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球掛網(wǎng)運(yùn)行的非晶合金配電變壓器約有600多萬(wàn)臺(tái)。

我國(guó)非晶合金配電變壓器的研制工作始于“七五”期間，1986年試制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)單相3 kV·A非晶合金配電變壓器[6]。由于非晶合金變壓器節(jié)能效果明顯，各行各業(yè)已應(yīng)用廣泛。在城市軌道交通領(lǐng)域，非晶合金干式變壓器運(yùn)用也日益廣泛，其容量最大達(dá)2 500 kV·A，額定電壓最高達(dá)35 kV。

2.2 非晶合金變壓器與硅鋼片變壓器的對(duì)比分析

2.2.1 主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

目前，現(xiàn)行規(guī)范《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》（GB 20052—2020）和《干式非晶合金鐵心配電變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》（GB/T 22072—2018）對(duì)非晶合金變壓器主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。

表2所示為城市軌道交通常見(jiàn)容量的3類(lèi)35 kV配電變壓器的空載損耗、負(fù)載損耗等參數(shù)。這3類(lèi)配電變壓器分別為：常規(guī)干式硅鋼片配電變壓器（SCB10）、節(jié)能干式硅鋼片配電變壓器（SCB13）和非晶合金干式變壓器（SCH15）。

由表2可知，非晶合金變壓器和常規(guī)配電變壓器負(fù)載損耗差異極小，其參數(shù)主要差異在空載損耗和空載電流的大小。將3類(lèi)變壓器空載損耗值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2 SCB10、SCB13和SCH15的空載損耗比值

表2 配電變壓器SCB10、SCB13和非晶合金變壓器SCH15主要技術(shù)參數(shù)

由圖2可知，非晶合金變壓器空載損耗為常規(guī)配電變壓器的 30%左右，為節(jié)能型配電變壓器的40%左右，低能耗優(yōu)點(diǎn)突出。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比分析

結(jié)合表2中相關(guān)變壓器的空載損耗，可計(jì)算出配電變壓器 SCB10、SCB13和非晶合金變壓器SCH15因空載損耗每年消耗的電能（表3）。

表3 變壓器年空載損耗消耗的電能 kW·h

從表3中數(shù)據(jù)可知，以1 250 kV·A容量為例，每臺(tái)SCH15變壓器相較于SCB10變壓器每年可節(jié)省電量約17 000度，如按電費(fèi)0.68元/度計(jì)算，單臺(tái)非晶合金變壓器在30年的全壽命周期內(nèi)共可節(jié)約電費(fèi)34.68萬(wàn)元。

2.2.3 變壓器效益對(duì)比分析

效率計(jì)算式：

式中：η為效率；β為負(fù)載率；SN為變壓器容量，kV·A；cosθ為功率因數(shù)；PO為空載損耗，kW；Pk為負(fù)載損耗，kW。

考慮cosθ取0.9[6]，由式（1）可計(jì)算出3種變壓器的效率，如圖3所示。

圖3 變壓器的效率

以1 600 kV·A和1 250 kV·A容量為例，可統(tǒng)計(jì)配電變壓器SCB10、SCB13和SCH15的最高效率及對(duì)應(yīng)的負(fù)載率，如表4所示。

表4 變壓器最高效率及對(duì)應(yīng)負(fù)載率 %

由圖3和表4可知，非晶合金變壓器的效率高于常規(guī)硅鋼片變壓器；負(fù)載率越低，非晶合金變壓器的高效性能越突出；負(fù)載率30%左右的變壓器更適合選用非晶合金變壓器。

2.2.4 其他性能對(duì)比分析

（1）溫升。非晶合金變壓器的空載損耗小，溫升也就相對(duì)較小[7]。據(jù)調(diào)研，非晶合金變壓器的鐵心、繞組溫升可比普通硅鋼片變壓器分別低約20 ℃、10 ℃。溫升的降低還可帶來(lái)其他直接收益：減輕了車(chē)站環(huán)控負(fù)荷；增強(qiáng)了變壓器的過(guò)負(fù)荷能力；降低了變壓器的老化速率，增加壽命等。

（2）可靠性、穩(wěn)定性。非晶合金變壓器發(fā)展歷史雖然沒(méi)有硅鋼片變壓器久，但是其技術(shù)成熟、可靠[8]。上海地鐵曾委托某研究所對(duì)朱家角站1臺(tái)500 kV·A和淀山湖大道站1臺(tái)1 250 kV·A非晶合金變壓器進(jìn)行抽檢，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比如表5所示。

表5 非晶合金變壓器空載損耗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值

從表5中數(shù)值可知，被抽檢非晶合金變壓器的空載性能均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（3）抗外應(yīng)力性能。非晶合金帶材具有脆性，其抗外應(yīng)力性能不及硅鋼片變壓器。干式非晶合金帶碎片的產(chǎn)生主要發(fā)生在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在工廠澆筑完成后再產(chǎn)生碎片的可能性很小[9]。近年隨著生產(chǎn)工藝及運(yùn)輸防護(hù)技術(shù)的提高，非晶合金碎片化的缺陷已有很大改善。

（4）噪音。非晶合金變壓器的噪聲主要來(lái)源于非晶合金變壓器鐵心、繞組及其他裝置（冷卻裝置）等。變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，非晶合金帶材的磁致伸縮現(xiàn)象是引起鐵心振動(dòng)和噪聲的主要原因。由于非晶合金帶材的磁致伸縮率比硅鋼片大，因此非晶合金變壓器噪音比硅鋼變壓器略大[10]。

《干式非晶合金鐵心配電變壓器 技術(shù)參數(shù)和要求》（GB/T 22072—2018）中噪音參數(shù)較 JB/T 10088—2016《6 kV～1 000 kV級(jí)電力變壓器聲級(jí)》的要求高3～5 dB。非晶合金變壓器噪音較大，但也能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）尺寸、重量。非晶合金變壓器由于其鐵心工藝和結(jié)構(gòu)方面的原因，產(chǎn)品的尺寸、重量通常比同容量常規(guī)硅鋼片變壓器大約10%和20%[11]。

3 非晶合金變壓器在成都地鐵30號(hào)線(xiàn)一期工程中的應(yīng)用分析

3.1 成都地鐵30號(hào)線(xiàn)工程概況

成都地鐵30號(hào)線(xiàn)一期工程線(xiàn)路長(zhǎng)約26.284 km，均位于地下，共設(shè)置13座牽引降壓混合變電所、12座降壓變電所、5座跟隨式降壓變電所，配電變壓器設(shè)置情況如表6所示。

表6 成都地鐵30號(hào)線(xiàn)配電變壓器設(shè)置 kV·A

3.2 非晶合金變壓器的應(yīng)用分析

成都地鐵30號(hào)線(xiàn)在工程可行性研究評(píng)審及初步設(shè)計(jì)評(píng)審時(shí)，設(shè)計(jì)方案推薦配電變壓器采用非晶合金干式變壓器，且已通過(guò)初步設(shè)計(jì)專(zhuān)家審查和成都軌道交通第四輪建設(shè)線(xiàn)路四新技術(shù)引入論證。結(jié)合表3和表6，成都市電費(fèi)單價(jià)按0.68元/度計(jì)算，可大致計(jì)算出30號(hào)線(xiàn)節(jié)約的電費(fèi)（表7）。

表7 成都地鐵30號(hào)線(xiàn)非晶合金變壓器節(jié)約電費(fèi)

由表7可知，相比常規(guī)硅鋼片干式變壓器SCB10，30號(hào)線(xiàn)一期采用非晶合金變壓器后，年節(jié)約電費(fèi)約70.6萬(wàn)元，在30年全壽命周期內(nèi)可節(jié)約費(fèi)用2 118萬(wàn)元。

考慮非晶合金變壓器成本，需進(jìn)一步分析靜態(tài)回收年限，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和詢(xún)價(jià)，匯總市場(chǎng)上配電變壓器SCB10、SCB13和非晶合金變壓器SCH15的設(shè)備價(jià)格，如表8所示。

表8 設(shè)備單價(jià) 臺(tái)/萬(wàn)元

由表9可知，30號(hào)線(xiàn)一期采用非晶合金變壓器，雖然設(shè)備投資增加約794萬(wàn)元，但30年運(yùn)營(yíng)節(jié)約電費(fèi)2 118萬(wàn)元，凈節(jié)約投資1 324萬(wàn)元，增加的設(shè)備投資約11年即可收回成本。

表9 30號(hào)線(xiàn)一期非晶合金變壓器節(jié)約投資（相比SCB10）

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于城市軌道交通中干式配電變壓器長(zhǎng)期處于30%的輕載狀態(tài)，非晶合金干式變壓器可大幅改善電能浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)成都地鐵30號(hào)線(xiàn)的應(yīng)用分析可知，僅一條地鐵線(xiàn)，在30年全壽命周期內(nèi)，非晶合金干式變壓器可節(jié)約成本1 300余萬(wàn)元。隨著成都地鐵運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路越來(lái)越多，未來(lái)運(yùn)營(yíng)能耗成本也越來(lái)越大，當(dāng)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路達(dá)到650 km時(shí)，年空載損耗消耗電費(fèi)將達(dá)到2 400萬(wàn)元，非晶合金干式變壓器的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。同時(shí)，目前非晶合金干式變壓器相關(guān)技術(shù)也較為成熟、可靠。綜上，非晶合金干式變壓器在城市軌道交通中具有良好的應(yīng)用前景。