引言

隨著國家提出"加快建設能源節(jié)約型社會,促進生態(tài)文明建設,推進綠色發(fā)展",電網(wǎng)公司積極響應,從而對電力設備的安全、環(huán)保、節(jié)能性能越加重視。作為配電網(wǎng)中的關鍵設備干式變壓器應用比例越來越大,電網(wǎng)公司對配電干式變壓器的能效要求越來越高,必須嚴格執(zhí)行符合國家能源政策的能效標準。能效要求越來越高也引導中國的干式配電變壓器技術在結構和用材上不斷進步,干式變壓器的空載損耗和負載損耗越來越低。美國作為發(fā)達國家,其能源部也致力于實施節(jié)能環(huán)保的能源政策和促進配電變壓器產(chǎn)業(yè)發(fā)展,因此已制定和執(zhí)行具有前瞻性的能效標準。

本文主要介紹和比較中美兩個國家的三相配電干式變壓器的能效標準差異,并以一臺出口美國的干式變壓器為例,對其設計制造進行說明,可供探討未來兩個國家變壓器節(jié)能政策的衍變和發(fā)展時參考。

1中國配電干式變壓器的標準及能效要求

我國干式變壓器執(zhí)行標準GB1091.11一2017《電力變壓器第11部分:干式變壓器》,除了改動一些內(nèi)容以便適應中國國情,與國際電工委員會標準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)行的能效標準GB20052一2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》,要求干式變壓器的空載損耗的負載損耗不能超出表1中的限定值。

2美國配電干式變壓器的標準及能效要求

美國干式配電變壓器執(zhí)行標準ANSIC57.12.55《美國國家標準:變壓器》以及IEEEStdC57.12.01TM《干式變壓器總規(guī)范》,其中IEEE是美國電氣和電子工程師學會組織;能效標準執(zhí)行美國能源部的DoE10CFRpart431《配電變壓器節(jié)能標準》,如表2所示。

3中美兩國三相配電干式變壓器的能效對比

通過以上資料對比,可以知道中美兩國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算公式為:

式中,7為變壓器效率;8為負荷系數(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為額定電流下的負載損耗(kw)。

通過對比和計算,中國的能效標準比美國要高。以1000kVA容量為例,中國最低限定值三級能效干式變壓器在50%額定容量下,參考溫度75℃的效率為:

其中,1.77kw、7.5kw分別為三級能效1000kVA容量干式變壓器的空載損耗和75℃參考溫度下的負載損耗。很明顯,效率比美國常規(guī)同樣容量1000kVA的99.20%要高。就能效標準來說,中國的節(jié)能要求比美國更苛刻。究其原因,可能有以下幾方面:一是美國作為超級大國,自然資源和政治資源豐富,能源來源非常多,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利益集團的影響和制約,能源部無法制定超前的能源政策:三是美國作為發(fā)達國家,公眾有其消費習慣,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和課題,巴黎氣候協(xié)議的實施需要各國協(xié)同一致,各國政府必須積極響應全球民眾對氣候變化和碳排放的關注,環(huán)保組織也在持續(xù)推動節(jié)能政策和標準的制定和實施,所以各國能源政策和節(jié)能標準必須與時俱進,相信美國也不能例外。

4設計制造實例

一臺出口美國的2500kVA干式變壓器的主要技術參數(shù)要求如下:型號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。

由于該臺產(chǎn)品的效率要求高,我們設計了傳統(tǒng)的疊片鐵芯和立體卷鐵芯兩種方案。表4為兩種方案的設計性能參數(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,無論是性能還是成本均有優(yōu)勢。

從經(jīng)濟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構優(yōu)勢,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,可以使線圈導線長度減少2%~3%,既可節(jié)約銅或鋁材等原材料,又可降低負載損耗。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,消除了硅鋼片運輸、剪切、卷繞時產(chǎn)生的應力,恢復了硅鋼片固有的磁性,磁路各處均無高磁阻存在,故空載損耗與勵磁電流均大幅降低,具有三相平衡、結構緊湊、占地面積小、質(zhì)量輕、噪聲低等優(yōu)點。

低壓繞組采用箔式線圈,繞制方便,機械強度高。箔式線圈結構提高了變壓器的抗短路能力,若負荷側出現(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,線圈形成一個整體。

高壓繞組采用餅式線圈結構,散熱面大,散熱好,機械強度較高,具有以e特點:一是線圈絕緣層較薄,通風散熱好:二是線圈餅式結構的水平氣道和垂直氣道設計,使得散熱面大:同時,三個線圈在中心部位形成煙囪效應,空氣流動快,三個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,薄絕緣筒加氣道結構,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真空壓力浸漆技術和熱風循環(huán)烘干技術,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)品有機整體性,加強了抗短路能力,降低了產(chǎn)品噪聲。采用新型結構夾件,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,同時更加環(huán)保。

產(chǎn)品生產(chǎn)完成后,試驗結果與設計參數(shù)一致。產(chǎn)品的試驗結果與設計比較如表5所示。

5結語

節(jié)能減排是全世界的趨勢和課題,巴黎氣候協(xié)議的實施需要各國協(xié)同,各國政府必須積極響應全球民眾對氣候變化和碳排放的關注,各國能源政策和節(jié)能標準需要與時俱進。中美兩國都執(zhí)行嚴格的干式變壓器能效標準,中國比美國更苛刻,更有前瞻性。干式配電變壓器的設計制造采用立體卷鐵芯方案比疊片鐵芯方案更容易達到美國能效要求,成本和性能更有優(yōu)勢。