引言

隨著國(guó)家提出"加快建設(shè)能源節(jié)約型社會(huì),促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),推進(jìn)綠色發(fā)展",電網(wǎng)公司積極響應(yīng),從而對(duì)電力設(shè)備的安全、環(huán)保、節(jié)能性能越加重視。作為配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備干式變壓器應(yīng)用比例越來(lái)越大,電網(wǎng)公司對(duì)配電干式變壓器的能效要求越來(lái)越高,必須嚴(yán)格執(zhí)行符合國(guó)家能源政策的能效標(biāo)準(zhǔn)。能效要求越來(lái)越高也引導(dǎo)中國(guó)的干式配電變壓器技術(shù)在結(jié)構(gòu)和用材上不斷進(jìn)步,干式變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗越來(lái)越低。美國(guó)作為發(fā)達(dá)國(guó)家,其能源部也致力于實(shí)施節(jié)能環(huán)保的能源政策和促進(jìn)配電變壓器產(chǎn)業(yè)發(fā)展,因此已制定和執(zhí)行具有前瞻性的能效標(biāo)準(zhǔn)。

本文主要介紹和比較中美兩個(gè)國(guó)家的三相配電干式變壓器的能效標(biāo)準(zhǔn)差異,并以一臺(tái)出口美國(guó)的干式變壓器為例,對(duì)其設(shè)計(jì)制造進(jìn)行說(shuō)明,可供探討未來(lái)兩個(gè)國(guó)家變壓器節(jié)能政策的衍變和發(fā)展時(shí)參考。

1中國(guó)配電干式變壓器的標(biāo)準(zhǔn)及能效要求

我國(guó)干式變壓器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB1091.11一2017《電力變壓器第11部分:干式變壓器》,除了改動(dòng)一些內(nèi)容以便適應(yīng)中國(guó)國(guó)情,與國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC60076-11《電力變壓器第11部分:干式變壓器》基本一致。其中,干式變壓器定義為鐵芯和繞組均不浸于絕緣液體中的變壓器,以示與油浸式變壓器的區(qū)別。干式變壓器所執(zhí)行的能效標(biāo)準(zhǔn)GB20052一2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》,要求干式變壓器的空載損耗的負(fù)載損耗不能超出表1中的限定值。

2美國(guó)配電干式變壓器的標(biāo)準(zhǔn)及能效要求

美國(guó)干式配電變壓器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ANSIC57.12.55《美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):變壓器》以及IEEEStdC57.12.01TM《干式變壓器總規(guī)范》,其中IEEE是美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)組織;能效標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行美國(guó)能源部的DoE10CFRpart431《配電變壓器節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》,如表2所示。

3中美兩國(guó)三相配電干式變壓器的能效對(duì)比

通過以上資料對(duì)比,可以知道中美兩國(guó)之間三相配電干式變壓器從能效要求方面主要有如表3所示不同。

干式變壓器效率的計(jì)算公式為:

式中,7為變壓器效率;8為負(fù)荷系數(shù),從0~1不等;coSo為功率因數(shù),一般情況下假定為1;SN為變壓器容量(kVA);P0為變壓器空載損耗(kw);PKN為額定電流下的負(fù)載損耗(kw)。

通過對(duì)比和計(jì)算,中國(guó)的能效標(biāo)準(zhǔn)比美國(guó)要高。以1000kVA容量為例,中國(guó)最低限定值三級(jí)能效干式變壓器在50%額定容量下,參考溫度75℃的效率為:

其中,1.77kw、7.5kw分別為三級(jí)能效1000kVA容量干式變壓器的空載損耗和75℃參考溫度下的負(fù)載損耗。很明顯,效率比美國(guó)常規(guī)同樣容量1000kVA的99.20%要高。就能效標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō),中國(guó)的節(jié)能要求比美國(guó)更苛刻。究其原因,可能有以下幾方面:一是美國(guó)作為超級(jí)大國(guó),自然資源和政治資源豐富,能源來(lái)源非常多,節(jié)約能源的外在壓力輕:二是節(jié)約能源政策的制定受游說(shuō)利益集團(tuán)的影響和制約,能源部無(wú)法制定超前的能源政策:三是美國(guó)作為發(fā)達(dá)國(guó)家,公眾有其消費(fèi)習(xí)慣,節(jié)能意愿不足,從大排量汽車之多可見一斑。不過節(jié)能減排是全世界的趨勢(shì)和課題,巴黎氣候協(xié)議的實(shí)施需要各國(guó)協(xié)同一致,各國(guó)政府必須積極響應(yīng)全球民眾對(duì)氣候變化和碳排放的關(guān)注,環(huán)保組織也在持續(xù)推動(dòng)節(jié)能政策和標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施,所以各國(guó)能源政策和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)必須與時(shí)俱進(jìn),相信美國(guó)也不能例外。

4設(shè)計(jì)制造實(shí)例

一臺(tái)出口美國(guó)的2500kVA干式變壓器的主要技術(shù)參數(shù)要求如下:型號(hào)SGB,額定容量2500kVA,頻率60Hz,電壓比13.8kV/0.48kV,線圈材質(zhì)為鋁,阻抗要求5.75%,效率要求≥99.41%,溫升限值150K。

由于該臺(tái)產(chǎn)品的效率要求高,我們?cè)O(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的疊片鐵芯和立體卷鐵芯兩種方案。表4為兩種方案的設(shè)計(jì)性能參數(shù)及用材。立體卷鐵芯干式變壓器方案與常規(guī)疊片鐵芯干式變壓器方案相比,無(wú)論是性能還是成本均有優(yōu)勢(shì)。

從經(jīng)濟(jì)成本上考慮還是采用立體卷鐵芯方案更好。立體卷鐵芯比疊片鐵芯具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),平均節(jié)約20%硅鋼片。另外,立體卷鐵芯芯柱的空間填充系數(shù)比疊片鐵芯高,可以使線圈導(dǎo)線長(zhǎng)度減少2%~3%,既可節(jié)約銅或鋁材等原材料,又可降低負(fù)載損耗。敞開式立體卷鐵芯干式變壓器通常鐵芯經(jīng)過真空退火處理,消除了硅鋼片運(yùn)輸、剪切、卷繞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力,恢復(fù)了硅鋼片固有的磁性,磁路各處均無(wú)高磁阻存在,故空載損耗與勵(lì)磁電流均大幅降低,具有三相平衡、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、質(zhì)量輕、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

低壓繞組采用箔式線圈,繞制方便,機(jī)械強(qiáng)度高。箔式線圈結(jié)構(gòu)提高了變壓器的抗短路能力,若負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)短路,短路電流能自由分布在線圈軸向上,安匝分布更平衡,減少了軸向力。低壓線圈層間絕緣及端絕緣采用預(yù)浸漆絕緣材料,經(jīng)多次烘焙、真空壓力浸漆、固化后,線圈形成一個(gè)整體。

高壓繞組采用餅式線圈結(jié)構(gòu),散熱面大,散熱好,機(jī)械強(qiáng)度較高,具有以e特點(diǎn):一是線圈絕緣層較薄,通風(fēng)散熱好:二是線圈餅式結(jié)構(gòu)的水平氣道和垂直氣道設(shè)計(jì),使得散熱面大:同時(shí),三個(gè)線圈在中心部位形成煙囪效應(yīng),空氣流動(dòng)快,三個(gè)線圈的表面暴露于周邊空氣,散熱均勻:而且立體卷鐵芯干式變壓器采用獨(dú)特繞制工藝,繞組鐵芯等各發(fā)熱體的熱交換較好,使得各部分的溫度分布更均勻,熱點(diǎn)溫度比較低。

高低壓線圈之間用絕緣筒隔開,薄絕緣筒加氣道結(jié)構(gòu),采用與空氣接近的介電常數(shù)絕緣材料,電壓分布均勻,減少了局放發(fā)生的可能性。

線圈固化過程采用VPI真空壓力浸漆技術(shù)和熱風(fēng)循環(huán)烘干技術(shù),使絕緣漆層層滲透并固化,保證了產(chǎn)品的防潮性能及產(chǎn)品有機(jī)整體性,加強(qiáng)了抗短路能力,降低了產(chǎn)品噪聲。采用新型結(jié)構(gòu)夾件,材質(zhì)為低磁不銹鋼材,夾件降低了重量,并有效減少了變壓器雜散損耗,同時(shí)更加環(huán)保。

產(chǎn)品生產(chǎn)完成后,試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)一致。產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)比較如表5所示。

5結(jié)語(yǔ)

節(jié)能減排是全世界的趨勢(shì)和課題,巴黎氣候協(xié)議的實(shí)施需要各國(guó)協(xié)同,各國(guó)政府必須積極響應(yīng)全球民眾對(duì)氣候變化和碳排放的關(guān)注,各國(guó)能源政策和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)需要與時(shí)俱進(jìn)。中美兩國(guó)都執(zhí)行嚴(yán)格的干式變壓器能效標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)比美國(guó)更苛刻,更有前瞻性。干式配電變壓器的設(shè)計(jì)制造采用立體卷鐵芯方案比疊片鐵芯方案更容易達(dá)到美國(guó)能效要求,成本和性能更有優(yōu)勢(shì)。