新能效標(biāo)準(zhǔn)在核電站干式變壓器的應(yīng)用解析

張燦輝

（海南金盤智能科技股份有限公司）

0 引言

在低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下，核電具有較高的能量密度，而且占地面積比較小，單機(jī)容量比較大，可以保障發(fā)電的穩(wěn)定性，因此可以利用核電代替化石能源，通過協(xié)同發(fā)展風(fēng)光水等清潔能源，有利于提高能源布局的合理性，同時(shí)可以保障能源供應(yīng)過程的安全性。干式變壓器具有較高的可靠性，同時(shí)可以發(fā)揮出防災(zāi)防爆和免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，因此在核電站用電中廣泛應(yīng)用，可以轉(zhuǎn)化核電站中壓電為低壓電，為配電設(shè)備提供電源支持。干式變壓器在實(shí)際運(yùn)行過程中可以轉(zhuǎn)換損耗為能量消耗，而實(shí)際損耗值直接關(guān)系到整體電站能效。因?yàn)楹穗娬驹O(shè)計(jì)壽命通常是60年，而且一般情況下不會(huì)更換干式變壓器，因此變壓器鑒定壽命也是60年，需要選用高效能產(chǎn)品，可以滿足節(jié)能減排的需求，同時(shí)可以保障核電站發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性。

2021年實(shí)施的新能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于大幅度的下調(diào)各能效等級(jí)干變損耗，同時(shí)發(fā)布的《變壓器能效提升計(jì)劃（2021-2023）》針對(duì)新能效標(biāo)準(zhǔn)配電變壓器推廣應(yīng)用提出發(fā)展規(guī)劃。通過推出新能效標(biāo)準(zhǔn)，可以為核電站干式變壓器提供發(fā)展機(jī)遇。

1 干式變壓器的概念和結(jié)構(gòu)特征

（1）干式變壓器的概念

干式變壓器的鐵心和繞組不會(huì)浸泡在油脂中，而冷卻介質(zhì)是空氣。在冷卻過程中，主要是利用自然冷卻和主動(dòng)控制方式。在自然冷卻過程中，可以在標(biāo)準(zhǔn)容量中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行。在主動(dòng)控制冷卻階段，可以增強(qiáng)輸出容量在50%以上，可以在斷續(xù)高功能狀態(tài)中利用這一模式。在高負(fù)荷模式背景下，可以大幅度提高負(fù)載損耗和阻抗電壓，不利于保障經(jīng)濟(jì)效益，因此干式變壓器不能長(zhǎng)期處于連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)中[1]。

（2）干式變壓器使用特點(diǎn)

①在使用干式變壓器的過程中，具有很強(qiáng)的抗短路能力，同時(shí)保養(yǎng)維護(hù)工作量比較少，具有較高的運(yùn)行效率，而且在日常運(yùn)行中不會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，安裝部位要嚴(yán)格要求防火和防爆。②在長(zhǎng)期使用過程中，干式變壓器具有良好的安全性和防火能力，不會(huì)污染周圍環(huán)境，而且可以在負(fù)荷中心中使用。經(jīng)過優(yōu)化改良，國(guó)產(chǎn)干式變壓器具有先進(jìn)性優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的機(jī)械強(qiáng)度和抗短路能力，整體使用壽命也優(yōu)于其他類型的變壓器。③在使用干式變壓器的過程中不會(huì)產(chǎn)生較大的能耗，而且噪聲比較小，并且可以發(fā)揮出顯著的節(jié)能效果，還可以提高后續(xù)維護(hù)工作的便利性。④對(duì)比其他變壓器，干式變壓器具有顯著的散熱能力和超負(fù)荷運(yùn)行能力，利用空氣冷卻方式，可以顯著提高運(yùn)行容量。⑤對(duì)比其他類型的變壓器，干式變壓器具備防潮能力，因此可以應(yīng)用于潮濕等惡劣環(huán)境。⑥可以設(shè)置氣溫測(cè)量和設(shè)備防護(hù)機(jī)制。可以利用智能化信息氣溫控制設(shè)備，自動(dòng)化啟動(dòng)和關(guān)閉風(fēng)機(jī)，同時(shí)可以發(fā)揮出報(bào)警和跳閘功能。⑦對(duì)比其他類型的變壓器。干式變壓器具有較低的重量，體積也比較小，因此降低了整體維修費(fèi)用。此外針對(duì)干式變壓器，鐵心利用優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向硅鋼片，硅鋼利用45°接縫設(shè)計(jì)方式，可以順著接縫線路通過磁通線。

2 以往核電項(xiàng)目中干變的能效參數(shù)選擇

原來我國(guó)核電站利用的干式配電變壓器主要是依靠進(jìn)口，因?yàn)闆]有推出新能耗標(biāo)準(zhǔn)，損耗主要是利用常規(guī)干變系列。在二代改進(jìn)型堆型階段，并沒有針對(duì)變壓器能效提出特殊要求，滿足國(guó)標(biāo)10系列即可。在2015年我國(guó)開始進(jìn)入東安全面建設(shè)時(shí)期，針對(duì)核電站干式變壓器能效要求為SCB13-NX1，要求項(xiàng)目符合1級(jí)能效?？梢源_定核電項(xiàng)目注重提高能效水平[3]。

2021我國(guó)開始實(shí)施新能效標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)核電項(xiàng)目也開始進(jìn)入到新階段，其中新2級(jí)能效和新1級(jí)能效空載損耗都有所降低，而老1級(jí)能耗產(chǎn)品只能列入到新版3級(jí)能效。實(shí)施新能效標(biāo)準(zhǔn)之后，新推出的項(xiàng)目要符合新能效標(biāo)準(zhǔn)。

3 新能效干變的核電適用性和經(jīng)濟(jì)性

提高能效之后將會(huì)增加材料用量和成本，為了保障核電站運(yùn)行的可靠性，注意不能因?yàn)榻档蛽p耗而影響到產(chǎn)品可靠性。此外核電項(xiàng)目投資數(shù)量比較大，因此需要考慮設(shè)備采購(gòu)成本和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[4]。

3.1 降低空載損耗的措施

（1）利用性能較好的高牌號(hào)硅鋼片

近些年我國(guó)不斷發(fā)展硅鋼片材料技術(shù)，通過利用高牌號(hào)硅鋼片有利于降低空載損耗。利用高牌號(hào)硅鋼片，例如選用75或者70硅鋼片替換原來的85硅鋼片，可以生產(chǎn)新2級(jí)能效產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)新1級(jí)能效，需要合理增大鐵心截面，或者是降低鐵心磁密。利用高牌號(hào)硅鋼片，或者增加截面之后，不僅降低產(chǎn)品可靠性，再加上當(dāng)前我國(guó)高牌號(hào)硅鋼片的產(chǎn)能有限，處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，而且材料價(jià)格非常高，還會(huì)增加成本。

（2）改變圓形結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)圓或者橢圓結(jié)構(gòu)

改變鐵心和線圈為長(zhǎng)圓形或者橢圓形，有利于減少變壓器中心距，同時(shí)可以減少鐵軛長(zhǎng)度，因此節(jié)省鐵心材料。固定磁密和鐵心牌號(hào)之后，變壓器空載損耗和鐵心重量之間呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，而利用長(zhǎng)圓形結(jié)構(gòu)和橢圓形結(jié)構(gòu)有利于節(jié)省鐵心材料用量，同時(shí)可以降低整體空載損耗[5]。

如果選擇長(zhǎng)圓形或者橢圓形的鐵心結(jié)構(gòu)，將會(huì)影響到可靠性，例如對(duì)比圓形，長(zhǎng)圓和橢圓結(jié)構(gòu)缺乏規(guī)整性，同時(shí)承受短路能力缺乏可靠性。再如長(zhǎng)圓形和橢圓形結(jié)構(gòu)繞制工藝不夠成熟，因?yàn)槭芰Σ痪鶆?，在長(zhǎng)軸方向很容易產(chǎn)生局部繞制不緊的情況，將會(huì)影響到可靠性。因此針對(duì)安全級(jí)干式變壓器不能選用長(zhǎng)圓形結(jié)構(gòu)，如果干式變壓器不夠重視可靠性要求，可以選擇長(zhǎng)圓或者橢圓形結(jié)構(gòu)。

3.2 新能效干變經(jīng)濟(jì)性

當(dāng)前變壓器主材中銅和高牌號(hào)硅鋼片成本較高，在選擇優(yōu)質(zhì)能效產(chǎn)品的過程中，因?yàn)樵O(shè)備單價(jià)較高，而且核電上網(wǎng)電價(jià)較低，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，核電站干式變壓器的貼現(xiàn)率為0.05，需要利用長(zhǎng)圓結(jié)構(gòu)的新2級(jí)能效。同時(shí)需要保障核電產(chǎn)品設(shè)備的可靠性，針對(duì)安全級(jí)干式變壓器要選用圓形結(jié)構(gòu)，因此需要結(jié)合國(guó)家節(jié)能政策，推廣利用新2級(jí)能效[6]。

3.3 非晶合金干式變壓器的適用性

非晶合金干式變壓器具有1~3級(jí)的能效標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)載損耗和電工鋼能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)具有一致性，由于利用了非晶合金鐵心，因此空載損耗顯著降低，突出了節(jié)能效果。但是非晶合金帶材缺乏應(yīng)力敏感性，同時(shí)飽和磁密比較低，增加了工作成本，并且在核電領(lǐng)域缺乏使用經(jīng)驗(yàn)，因此需要進(jìn)一步研究經(jīng)濟(jì)性和可靠性，如果條件允許，可以在常規(guī)島廠房開展掛網(wǎng)試運(yùn)行，驗(yàn)證非晶合金干式變壓器的適用性。

4 新能效應(yīng)用對(duì)安全級(jí)干式變壓器的鑒定影響分析

核電站安全級(jí)干式變壓器可以為核島安全級(jí)設(shè)備提供電源，而干式變壓器的可靠性直接關(guān)系到電站運(yùn)行的安全性，因此需要開展設(shè)備鑒定，確定事故情況下干式變壓器的安全功能。下圖是安全級(jí)干式變壓器鑒定程序。

圖 安全級(jí)干式變壓器鑒定程序圖

針對(duì)老1級(jí)能效產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過安全鑒定，可以覆蓋核電堆型的安全級(jí)干式變壓器。近些年在安全級(jí)干式變壓器中推廣利用新能效標(biāo)準(zhǔn)之后，需要補(bǔ)充鑒定程序。針對(duì)老1級(jí)能效和新2級(jí)能效之間的區(qū)別主要是針對(duì)空載能耗，可以統(tǒng)一絕緣結(jié)構(gòu)以及絕緣水平，因此可以利用分析法判斷絕緣結(jié)構(gòu)耐熱性和整機(jī)等效加速熱老化試驗(yàn)。為了控制空載損耗差異，如果利用降低單位鐵損的硅鋼片材料，可以忽略各牌號(hào)硅鋼片密度和硬度等物理性能的差異，因此沒有改變鐵心重量和結(jié)構(gòu)之后，利用原抗震鑒定即可滿足新能效標(biāo)準(zhǔn)需求[7]。

因?yàn)槔?級(jí)能效產(chǎn)品已經(jīng)完成全套鑒定試驗(yàn)，只需更換高牌號(hào)硅鋼片即可實(shí)現(xiàn)新2級(jí)能效干變需求，在這一背景下可以在新2級(jí)能效設(shè)備推廣老1級(jí)能效設(shè)備鑒定結(jié)論，但是空載損耗顯著降低，如果沒有改變鐵心和線圈結(jié)構(gòu)無法滿足空載損耗需求，因此應(yīng)該以原鑒定設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，需要合理補(bǔ)充新型試驗(yàn)和抗震鑒定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析實(shí)施新能效標(biāo)準(zhǔn)之后，對(duì)于核電站干式變壓器選擇的影響，分析新能效干變技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線，并且利用TOC法開展經(jīng)濟(jì)性分析評(píng)價(jià)，此外還探討了安全級(jí)設(shè)備的鑒定適用性。以設(shè)備成熟性和可靠性以及經(jīng)濟(jì)性為基礎(chǔ)，當(dāng)前利用新2級(jí)能效有利于降低空載損耗，而且負(fù)載損耗是相同的，綜合成本和綜合能效費(fèi)用具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，如果在常規(guī)島和廠房中利用長(zhǎng)圓形干式變壓器，對(duì)比老1級(jí)能效圓形干式變壓器，并不會(huì)增加工作成本。而核島安全級(jí)干式變壓器更加注重可靠性，可以利用新2級(jí)能效，通過調(diào)整鐵心硅鋼片牌號(hào)和結(jié)構(gòu)即可滿足要求，因?yàn)殍F心材料并沒有老化機(jī)理，因此可以利用分析法，或者可以補(bǔ)充聯(lián)合抗震試驗(yàn)組合法，滿足鑒定需求，這樣可以保障設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以滿足安全級(jí)鑒定需求，因此當(dāng)前利用新2級(jí)能效，可以滿足新能效標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之后的需求，這是一種科學(xué)的方案。