關(guān)鍵詞: 節(jié)能; S13 型配電變壓器; 技術(shù)經(jīng)濟(jì)
2011 年8 月，國家電網(wǎng)公司編發(fā)了《第一批重點推廣新技術(shù)目錄》，S13 型及以上型號系列的配電變壓器( 以下簡稱配變) 被列入目錄，表示這些配變將逐步成為主導(dǎo)產(chǎn)品，替代老舊高損耗變壓器。根據(jù)《JB /T 3837—2010 變壓器類產(chǎn)品型號編制方法》，S13 型配變與同容量S11 型配變相比，空載損耗下降了20% ～ 30%，負(fù)載損耗不變; 非晶合金變壓器空載損耗比S11 型配變下降了60% ～ 67%，負(fù)載損耗不變。本文針對S13 型配變和其它型號配變，進(jìn)行節(jié)能原理分析、技術(shù)性能分析和經(jīng)濟(jì)比較，為選用該型號配變提供參考。
1 S13 型配變節(jié)能原理
傳統(tǒng)變壓器鐵芯采用平面結(jié)構(gòu)及疊片工藝，存在三相磁回路不平衡、局部磁通方向和硅鋼片導(dǎo)磁方向不一致、多處空氣接縫等缺陷，制約了變壓器能效水平的提升。目前，節(jié)能型配變主要朝改變鐵芯結(jié)構(gòu)和改良傳統(tǒng)疊片工藝方向發(fā)展。
1． 1 S13 型立體卷鐵芯配變
當(dāng)前，國內(nèi)眾多變壓器廠商通過改變變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)S13 型立體卷鐵芯配變( 如圖1) 。該配變主要特點有: ①采用3 個相同的單框拼合成等邊三角形結(jié)構(gòu)，使三相鐵芯磁路完全平衡、磁路最短，從而降低損耗; ②改變傳統(tǒng)的疊片方式，3 個單框采用硅鋼片連續(xù)卷繞而成，充分利用了硅鋼片的取向性，鐵芯無接縫，大大減少了磁阻，降低了損耗;③采用退火工藝，降低工藝系數(shù)，消除內(nèi)應(yīng)力，使空載損耗及空載電流大幅度下降。理論上，S13 型立體卷鐵芯配變易于生產(chǎn)，實際生產(chǎn)卻存在困難: 首先，退火工藝較難掌握; 其次，立體鐵芯設(shè)計技術(shù)掌握在少數(shù)變壓器廠商手中，存在技術(shù)壁壘; 再者，立體鐵芯繞線工藝較疊鐵芯復(fù)雜，需要在鐵芯柱上繞制，且繞線效率不如疊鐵芯。
1． 2 S13 疊鐵芯變壓器
為降低疊鐵芯配變( 如圖2) 的損耗，生產(chǎn)廠家往往選購優(yōu)質(zhì)晶粒取向冷軋硅鋼片，增加鐵芯疊片厚度及銅線用量，或使用高價進(jìn)口材料等。在提升能耗水平的同時，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，成為S13 型疊鐵芯配變推廣應(yīng)用面臨的難題。
2 經(jīng)濟(jì)性比較
目前，國內(nèi)應(yīng)用的節(jié)能型配變主要有S11 型配變、S13 型立體卷鐵芯配變、S13 型疊鐵芯配變以及采用非晶合金鐵芯的SH15 型配變。其中，S11 型疊鐵芯配變與非晶合金SH15 型配變應(yīng)用較多。
2． 1 年損耗比較
根據(jù)《GB 13462—2008 電力變壓器經(jīng)濟(jì)運行導(dǎo)則》，綜合對比S11 型、S13 型、SH15 型( 非晶合金) 配變，計算各型配變的年損耗值。其中，S13 型分為疊鐵芯與卷鐵芯結(jié)構(gòu)兩種。計算采用標(biāo)準(zhǔn)如表1。
根據(jù)《GB /T13462—2008 電力變壓器經(jīng)濟(jì)運行》計算運行空載損耗NL 和運行負(fù)載損耗LL
NL = P0 + KqQ0，Q0≈I0%SnLL = fβ2Pk + Kq fβ2Qk，Qk≈Uk%Sn則年損耗電量L = 8 760 × ( NL + LL) /10 000式中P0———額定空載損耗，kW;
Pk———額定負(fù)載損耗，kW;Sn———變壓器額定容量，kVA;
I0%———變壓器空載電流百分比;
Uk%———阻抗電壓百分比;Q0———空載無功損耗，kvar;
Qk———額定負(fù)載漏磁功率，kvar;β———平均負(fù)載系數(shù);
f———負(fù)載波動損耗系數(shù)，取1． 05;
Kq———無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，取0． 1 kW/kvar。
S13 型配變空載損耗比S11 型降低30%，負(fù)載損耗相同。以315 kVA 配變?yōu)槔?，各型配變的損耗參數(shù)如表2，年損耗計算結(jié)果如表3，相對S11 型配變降低的年損耗比例如表4，年損耗曲線如圖2。
由圖3 知，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)限定值，年損耗電量從大到小依次為: S11 型＞ S13 型( 疊鐵芯) ＞ S13 型( 卷鐵芯) ＞ SH15 型。
2． 2 經(jīng)濟(jì)性比較
電價按0． 65 元/kW·h 計算，平均負(fù)載率30%的配變的年運行成本對比如表5。
經(jīng)濟(jì)性比較采用等年值法，即指按照預(yù)定的投資報酬率，將有關(guān)投資項目在其有效使用年限內(nèi)的現(xiàn)金流量統(tǒng)一換算成每年平均的等價金額。折算現(xiàn)金流時，可依據(jù)投資項目的情況，分別計算每年相等的現(xiàn)金凈流量，通過等年值來分析、評價投資方案。若以A 表示等年值，以C1表示某項資產(chǎn)的現(xiàn)值，以C2表示每年的營運成本，以R 表示每年的現(xiàn)金流量，以S 表示固定資產(chǎn)殘值，以n表示期數(shù)，以i 表示利率，則等年值可表示為A = －［ C11 － ( 1 + i) － ni+ C2］+ R + S( 1 + i) n － 1i為進(jìn)行對比，以下案例均按配變?nèi)萘?15 kVA、平均負(fù)載率30%、設(shè)備運行年限20 a、利率6%、變壓器期滿殘值1 000 元來計算。
( 1) 新建315kVA 配變工程將S13 型與S11 型進(jìn)行對比，假設(shè)中標(biāo)廠家生產(chǎn)的S11 型及S13 型配變均按國標(biāo)能耗值生產(chǎn)。S11 型配變售價3． 2 萬元，S13 卷鐵芯配變售價5 萬元，計算結(jié)果如表6。
由表6 可見，S13 卷鐵芯變壓器的年投入較少，比S11 型配變更為經(jīng)濟(jì)。
( 2) 改造315 kVA 配變工程用S13 型配變替換S11 型配變，假設(shè)S11 型及S13 型配變均按國標(biāo)能耗值生產(chǎn)，S11 型配變已使用5 年，殘值為2 萬元，S13 型疊鐵芯配變售價5． 9 萬元，計算結(jié)果如表7。由表7 可見，用S13 型疊鐵芯配變替換S11 型配變并不經(jīng)濟(jì)。
3 配變性能比較
3． 1 噪音大小
變壓器的噪聲不僅污染環(huán)境，危害人身健康，而且影響設(shè)備正常運行。目前，對非晶合金鐵芯配變的聲級限值并無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，僅由制造單位與用戶協(xié)商確定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，10 kV 油浸式電力變壓器的聲功率級不得超過50 dB?！禛B /T 25438—2010 三相油浸式立體卷鐵芯配電變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》對立體卷鐵芯配變的聲級限定要求如表8。
鑒于標(biāo)準(zhǔn)僅對立體卷鐵芯配變作具體要求，通過調(diào)查著名的變壓器生產(chǎn)廠家，得出結(jié)論: S13 型疊鐵芯配變噪音水平低于同容量S11 型配變和SH15 型非晶合金配變; S13 型立體卷鐵芯配變的噪音水平未明顯低于S13 型疊鐵芯配變。各廠家標(biāo)稱噪音水平均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但具體各型號變壓器噪音水平的控制取決于研發(fā)及生產(chǎn)水平。SH15 非晶合金配變的噪音水平普遍較高，遠(yuǎn)高于S13 型及S11 型配變。
3． 2 外形大小
與S11 型及SH15 型配變外形尺寸相比，S13 型疊鐵芯或卷鐵芯配變外形尺寸未見明顯變化。
3． 3 變壓器重量
分別對3 個廠家生產(chǎn)的配變進(jìn)行調(diào)查，A 廠S11 型、S13 型以及SH15 型配變，B 廠立體鐵芯S11型、S13 型配變以及C 廠SBH15 型配變，對比如表9。S13 型配變和S11 型配變重量處于同一水平，與非晶合金配變的對比，則S13 型配變優(yōu)于SH15 型非晶合金配變。
3． 4 過負(fù)載能力
根據(jù)《GB /T 1094． 7—2008 電力變壓器第7 部分: 油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》，變壓器壽命通常以設(shè)計環(huán)境溫度及額定運行條件下連續(xù)運行計算。當(dāng)負(fù)載超過額定值和設(shè)計環(huán)境溫度時，變壓器老化加速。變壓器的過負(fù)載能力是指當(dāng)其超額定電流運行時，允許的負(fù)荷電流與額定電流之比以及持續(xù)時間。尚無資料表明，能耗水平的提高與配變的過負(fù)載能力提升有關(guān)。對比S13 型卷鐵芯與疊鐵芯配變，由于卷鐵芯變壓器有內(nèi)線圈骨架( 如圖4) ，該骨架較厚且線圈熱量不能通過骨架散發(fā)，內(nèi)線圈的內(nèi)層和外層在單位面積上的發(fā)熱量相等，但內(nèi)線圈的內(nèi)層只有一面散熱，而外層兩面散熱，使內(nèi)線圈的溫升比平均溫升高很多。疊鐵芯變壓器的內(nèi)線圈與鐵芯柱之間的紙筒較薄，散熱效果好，內(nèi)外層間溫差較小。因此，即使兩種變壓器的溫升試驗數(shù)據(jù)一致，但由于卷鐵芯變壓器的最熱點溫升比疊積式鐵芯變壓器高，使其實際過負(fù)載能力比疊積式鐵芯變壓器弱。非晶合金鐵芯變壓器與其它傳統(tǒng)的硅鋼片鐵芯配變一樣，一般不允許長時間過負(fù)荷運行。任何配變的過負(fù)載運行均須符合《GB /T 1094． 7—2008 電力變壓器第7 部分: 油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定。配變實際過負(fù)載能力主要取決于損耗、絕緣材料耐熱等級、環(huán)境溫度。變壓器損耗低、發(fā)熱少、溫升低，則過負(fù)荷能力強(qiáng)。變壓器鐵芯材料的特性并不是決定變壓器過負(fù)載能力的關(guān)鍵因素。
非晶合金配變的空載損耗低，比相同負(fù)荷下的硅鋼片鐵芯配變的發(fā)熱少、絕緣溫升低，理論上實際過負(fù)載能力可能更強(qiáng)。
3． 5 承受短路能力
配變承受短路的能力主要取決于耐熱能力與動穩(wěn)定能力。運行中的配變在強(qiáng)大的短路電流產(chǎn)生的電磁力作用下，出現(xiàn)位移、損傷及高溫升，導(dǎo)致?lián)p壞概率增大。配變抗短路能力與制造工藝有關(guān)。制造廠應(yīng)提高配變的繞組墊塊加工、繞組生產(chǎn)、繞組預(yù)套裝、內(nèi)繞組撐緊及總裝的緊固等方面的工藝水平，同時應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量檢查以及驗收力度。尚無資料表明配變承受短路的能力與鐵芯材質(zhì)有關(guān)。理論上，卷鐵芯變壓器身結(jié)構(gòu)更對稱平衡，立體三角形的穩(wěn)定性更好，其抗短路能力可以更強(qiáng)。實際上，最終決定配電變壓器承受短路的能力是其生產(chǎn)工藝水平。因此，任何配變承受短路的能力不隨能耗水平的提高而提高，也不以鐵芯結(jié)構(gòu)、材質(zhì)為判斷依據(jù)，應(yīng)以產(chǎn)品驗收及實驗為準(zhǔn)。
4 結(jié)論
基于以上分析，S13 型配變的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于S11型配變。技術(shù)上，相同廠商對S13 型配變的綜合性能水平控制不弱于S11 型配變。因此，選擇S13 型還是S11 型配變，主要由產(chǎn)品價格決定。通過等年值法求出的絕對值越小，則每年投入越少，即選用該型號配變更經(jīng)濟(jì)。SH15 型非晶合金鐵芯配變較S13 型配變更經(jīng)濟(jì)，但其存在一些明顯的劣勢，如噪聲大、重量較重。在使用中，供電部門反映非晶合金配變的過負(fù)載能力與承受短路的能力較差，但研究表明，鐵芯的差別并非過負(fù)載能力與承受短路能力的決定因素。SH15 型非晶合金變壓器鐵芯的非晶合金帶材厚度極薄，僅0． 025 mm，不到常用硅鋼片( 2． 3 mm) 的1 /10。受制造工藝、長途運輸?shù)扔绊懀诔杀究刂频那疤嵯?，過負(fù)載能力與承受短路能力的提升相比硅鋼片鐵芯配變存在更大困難，這是非晶合金鐵芯配變在一些性能方面頗受質(zhì)疑的原因。在確保經(jīng)濟(jì)性的前提下，提倡試點應(yīng)用S13 型配變。因制造廠商良莠不齊，應(yīng)嚴(yán)格配變的入網(wǎng)檢測，確保入網(wǎng)變壓器的溫升、絕緣性能、過負(fù)載能力、承受短路能力等達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及供電企業(yè)的要求。SH15 型非晶合金配變適用于對噪聲、重量等因素不敏感的地區(qū)，且應(yīng)在負(fù)載率較低、空載損耗占比較大的臺區(qū)應(yīng)用。既能發(fā)揮非晶合金配變空載損耗低的優(yōu)勢，也避免了因非晶合金鐵芯配變長時間處于超載運行而燒毀的情況。