中美干式配电变压器的能效比较及干变设计制造实例

引言

随着国家提出"加快建设能源节约型社会,促进生态文明建设,推进绿色发展",电网公司积极响应,从而对电力设备的安全、环保、节能性能越加重视。作为配电网中的关键设备干式变压器应用比例越来越大,电网公司对配电干式变压器的能效要求越来越高,必须严格执行符合国家能源政策的能效标准。能效要求越来越高也引导中国的干式配电变压器技术在结构和用材上不断进步,干式变压器的空载损耗和负载损耗越来越低。美国作为发达国家,其能源部也致力于实施节能环保的能源政策和促进配电变压器产业发展,因此已制定和执行具有前瞻性的能效标准。

本文主要介绍和比较中美两个国家的三相配电干式变压器的能效标准差异,并以一台出口美国的干式变压器为例,对其设计制造进行说明,可供探讨未来两个国家变压器节能政策的衍变和发展时参考。

1中国配电干式变压器的标准及能效要求

我国干式变压器执行标准GB1091.11一2017《电力变压器第11部分:干式变压器》,除了改动一些内容以便适应中国国情,与国际电工委员会标准IEC60076-11《电力变压器第11部分:干式变压器》基本一致。其中,干式变压器定义为铁芯和绕组均不浸于绝缘液体中的变压器,以示与油浸式变压器的区别。干式变压器所执行的能效标准GB20052一2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》,要求干式变压器的空载损耗的负载损耗不能超出表1中的限定值。

2美国配电干式变压器的标准及能效要求

美国干式配电变压器执行标准ANSIC57.12.55《美国国家标准:变压器》以及IEEEStdC57.12.01TM《干式变压器总规范》,其中IEEE是美国电气和电子工程师学会组织;能效标准执行美国能源部的DoE10CFRpart431《配电变压器节能标准》,如表2所示。

3中美两国三相配电干式变压器的能效对比

通过以上资料对比,可以知道中美两国之间三相配电干式变压器从能效要求方面主要有如表3所示不同。

干式变压器效率的计算公式为:

式中,7为变压器效率;8为负荷系数,从0~1不等;coSo为功率因数,一般情况下假定为1;SN为变压器容量(kVA);P0为变压器空载损耗(kw);PKN为额定电流下的负载损耗(kw)。

通过对比和计算,中国的能效标准比美国要高。以1000kVA容量为例,中国最低限定值三级能效干式变压器在50%额定容量下,参考温度75℃的效率为:

其中,1.77kw、7.5kw分别为三级能效1000kVA容量干式变压器的空载损耗和75℃参考温度下的负载损耗。很明显,效率比美国常规同样容量1000kVA的99.20%要高。就能效标准来说,中国的节能要求比美国更苛刻。究其原因,可能有以下几方面:一是美国作为超级大国,自然资源和政治资源丰富,能源来源非常多,节约能源的外在压力轻:二是节约能源政策的制定受游说利益集团的影响和制约,能源部无法制定超前的能源政策:三是美国作为发达国家,公众有其消费习惯,节能意愿不足,从大排量汽车之多可见一斑。不过节能减排是全世界的趋势和课题,巴黎气候协议的实施需要各国协同一致,各国政府必须积极响应全球民众对气候变化和碳排放的关注,环保组织也在持续推动节能政策和标准的制定和实施,所以各国能源政策和节能标准必须与时俱进,相信美国也不能例外。

4设计制造实例

一台出口美国的2500kVA干式变压器的主要技术参数要求如下:型号SGB,额定容量2500kVA,频率60Hz,电压比13.8kV/0.48kV,线圈材质为铝,阻抗要求5.75%,效率要求≥99.41%,温升限值150K。

由于该台产品的效率要求高,我们设计了传统的叠片铁芯和立体卷铁芯两种方案。表4为两种方案的设计性能参数及用材。立体卷铁芯干式变压器方案与常规叠片铁芯干式变压器方案相比,无论是性能还是成本均有优势。

从经济成本上考虑还是采用立体卷铁芯方案更好。立体卷铁芯比叠片铁芯具有结构优势,平均节约20%硅钢片。另外,立体卷铁芯芯柱的空间填充系数比叠片铁芯高,可以使线圈导线长度减少2%~3%,既可节约铜或铝材等原材料,又可降低负载损耗。敞开式立体卷铁芯干式变压器通常铁芯经过真空退火处理,消除了硅钢片运输、剪切、卷绕时产生的应力,恢复了硅钢片固有的磁性,磁路各处均无高磁阻存在,故空载损耗与励磁电流均大幅降低,具有三相平衡、结构紧凑、占地面积小、质量轻、噪声低等优点。

低压绕组采用箔式线圈,绕制方便,机械强度高。箔式线圈结构提高了变压器的抗短路能力,若负荷侧出现短路,短路电流能自由分布在线圈轴向上,安匝分布更平衡,减少了轴向力。低压线圈层间绝缘及端绝缘采用预浸漆绝缘材料,经多次烘焙、真空压力浸漆、固化后,线圈形成一个整体。

高压绕组采用饼式线圈结构,散热面大,散热好,机械强度较高,具有以e特点:一是线圈绝缘层较薄,通风散热好:二是线圈饼式结构的水平气道和垂直气道设计,使得散热面大:同时,三个线圈在中心部位形成烟囱效应,空气流动快,三个线圈的表面暴露于周边空气,散热均匀:而且立体卷铁芯干式变压器采用独特绕制工艺,绕组铁芯等各发热体的热交换较好,使得各部分的温度分布更均匀,热点温度比较低。

高低压线圈之间用绝缘筒隔开,薄绝缘筒加气道结构,采用与空气接近的介电常数绝缘材料,电压分布均匀,减少了局放发生的可能性。

线圈固化过程采用VPI真空压力浸漆技术和热风循环烘干技术,使绝缘漆层层渗透并固化,保证了产品的防潮性能及产品有机整体性,加强了抗短路能力,降低了产品噪声。采用新型结构夹件,材质为低磁不锈钢材,夹件降低了重量,并有效减少了变压器杂散损耗,同时更加环保。

产品生产完成后,试验结果与设计参数一致。产品的试验结果与设计比较如表5所示。

5结语

节能减排是全世界的趋势和课题,巴黎气候协议的实施需要各国协同,各国政府必须积极响应全球民众对气候变化和碳排放的关注,各国能源政策和节能标准需要与时俱进。中美两国都执行严格的干式变压器能效标准,中国比美国更苛刻,更有前瞻性。干式配电变压器的设计制造采用立体卷铁芯方案比叠片铁芯方案更容易达到美国能效要求,成本和性能更有优势。