新能效標(biāo)準(zhǔn)在核電站干式變壓器的應(yīng)用研究

李鑫 LI Xin；竇毅瑋 DOU Yi-wei

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

“雙碳經(jīng)濟(jì)”背景下，核電憑借能量密度高、占地規(guī)模小、環(huán)境友好、單機(jī)容量大、發(fā)電量穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，可大規(guī)模替代化石能源的電源，通過(guò)與風(fēng)光水等清潔能源協(xié)同發(fā)展，對(duì)優(yōu)化能源整體布局、保障能源供應(yīng)安全具有重要意義。干式變壓器具有可靠性高、防災(zāi)防爆、免維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是核電站廠用電的重要電氣設(shè)備，應(yīng)用于核電站核島、常規(guī)島及BOP配電系統(tǒng)中，將廠用中壓電轉(zhuǎn)換為低壓電為后續(xù)配電設(shè)備提供電源。干式變壓器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的損耗將轉(zhuǎn)換成能量消耗，其損耗值的大小將影響整個(gè)電站的能效。考慮到目前核電站的設(shè)計(jì)壽命都是按60年進(jìn)行要求，而干式變壓器一般不會(huì)進(jìn)行更換，尤其是安全級(jí)干式變壓器其鑒定壽命就是按60年進(jìn)行要求，因此采用高能效產(chǎn)品，無(wú)論適應(yīng)雙碳經(jīng)濟(jì)的節(jié)能減排效應(yīng)還是從電站的經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)都是具有突出意義的。

2020年5月29日發(fā)布，2021年6月1日實(shí)施的新國(guó)標(biāo)GB 20052—2020電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)[1]（以下簡(jiǎn)稱“新能效標(biāo)準(zhǔn)”）較大幅度的下調(diào)了各能效等級(jí)的干變損耗，同時(shí)，2020年12月22日，工業(yè)和信息化部辦公廳、市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳、國(guó)家能源局綜合司三部委發(fā)布了《變壓器能效提升計(jì)劃（2021-2023年）》[2]（下文簡(jiǎn)稱《提升計(jì)劃》）對(duì)新能效標(biāo)準(zhǔn)配電變壓器推廣應(yīng)用給出了總體發(fā)展規(guī)劃。新能效標(biāo)準(zhǔn)的推出也為核電站干式變壓器提供了新的選項(xiàng)，下面將就新能效干式變壓器在核電站的應(yīng)用前景進(jìn)行探討和分析。

1 以往核電項(xiàng)目中干變的能效參數(shù)選擇

我國(guó)核電起步于秦山一期，當(dāng)時(shí)核電站用干式配電變壓器均以進(jìn)口為主，在核電站中采用國(guó)產(chǎn)干變從巴基斯坦恰希瑪一期、秦山二期開(kāi)始，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有推出GB 20052能效標(biāo)準(zhǔn)，損耗按常規(guī)干變系列（GB/T 10228）即可。在以M310堆型為基礎(chǔ)的二代改進(jìn)型堆型階段，并未對(duì)變壓器的能效提出特殊要求，以滿足國(guó)標(biāo)10系列為主。2015年開(kāi)始，我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的華龍一號(hào)核電技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入全面建設(shè)階段，其后對(duì)核電站干式變壓器的能效要求以SCB13-NX1為主，包括福清5、6號(hào)機(jī)組的常規(guī)島等項(xiàng)目均要求1級(jí)能效，其中的例外是華龍出口首堆K2K3項(xiàng)目要求的SCB10系列，福清5、6號(hào)機(jī)組核島要求的3級(jí)能效。從這個(gè)階段開(kāi)始，可以看出核電項(xiàng)目中開(kāi)始重視能效水平的提升。

在2021年，新能效標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始實(shí)施后，核電項(xiàng)目招標(biāo)和執(zhí)行進(jìn)入了能效選擇的新階段，對(duì)比新能效標(biāo)準(zhǔn)干式變壓器損耗值與2013版能效標(biāo)準(zhǔn)如表1和表2所示。（注：能效產(chǎn)品損耗值不允許正偏差）

通過(guò)表1和表2可以看出，新2級(jí)能效（SCB14）和新1級(jí)能效（SCB18）與老版2013版1級(jí)能效（SCB13）負(fù)載損耗相同，但空載損耗分別下降5%和20%，老1級(jí)能效產(chǎn)品只能列入新版3級(jí)能效。

表1 10kV電工鋼干式變壓器的主要技術(shù)變化（GB20052—2020與GB 20052—2013對(duì)比）

表2 核電站典型容量（800kVA）干式變壓器參數(shù)對(duì)比

在新能效標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，新推出執(zhí)行和招標(biāo)的項(xiàng)目均逐步開(kāi)始向新能效標(biāo)準(zhǔn)靠齊，如昌江二期、三門二期等項(xiàng)目中均要求采用新2級(jí)能效，但尚無(wú)項(xiàng)目招標(biāo)要求采用新1級(jí)能效產(chǎn)品。

2 新能效干變的核電適用性和經(jīng)濟(jì)性分析

能效的提升，將同時(shí)帶來(lái)材料用量以及成本的增加，而對(duì)于可靠性要求最高的核電站而言，還需同時(shí)兼顧為了降低損耗采取的改變對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響分析。此外，核電項(xiàng)目投資較大，因此設(shè)備采購(gòu)成本以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性也是需要考慮的。

2.1 降低空載損耗的措施分析

由于新能效之前的SCB13與新2級(jí)能效和1級(jí)能效產(chǎn)品的負(fù)載損耗要求相同，所以對(duì)于新能效推廣使用，首先要分析降低空載損耗的措施，及其對(duì)可靠性以及成本的影響。相關(guān)措施分析如下：

2.1.1 采用更好性能的高牌號(hào)硅鋼片

隨著硅鋼片材料技術(shù)的快速發(fā)展，采用高牌號(hào)硅鋼片是最為直接的降低空載損耗的辦法。當(dāng)前所采用的老版SCB13-NX1通常采用85牌號(hào)的硅鋼片即可滿足損耗要求，而目前國(guó)內(nèi)寶武集團(tuán)已具備單位鐵損0.65W/kg的65牌號(hào)硅鋼片的生產(chǎn)能力，若采用高牌號(hào)硅鋼片，如采用75或者70硅鋼片替換原85硅鋼片，即可實(shí)現(xiàn)新2級(jí)能效產(chǎn)品。若要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新1級(jí)能效，則還需配合增大鐵心截面以降低鐵心磁密等其它措施。采用高牌號(hào)硅鋼片或者增加截面，其對(duì)于產(chǎn)品可靠性不會(huì)有太大影響，但目前高牌號(hào)硅鋼片市場(chǎng)產(chǎn)能有限，供不應(yīng)求，材料價(jià)格居高不下，所以這兩種方式均將帶來(lái)成本的巨大增加。

2.1.2 將圓形結(jié)構(gòu)改為長(zhǎng)圓或橢圓結(jié)構(gòu)

圓形和長(zhǎng)圓形變壓器的鐵心和線圈截面如圖1所示，通過(guò)將鐵心和線圈改為長(zhǎng)圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)，可以有效縮短變壓器中心距（Mo），減少鐵軛長(zhǎng)度和重量，降低鐵心材料使用。而在磁密和鐵心牌號(hào)不變的情況下，變壓器空載損耗與鐵心重量成正比，所以采用長(zhǎng)圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)可以有效降低鐵心材料用量，并降低空載損耗。

圖1 圓形截面和長(zhǎng)圓形截面的變壓器布置圖

但若采用了長(zhǎng)圓形或橢圓形鐵心結(jié)構(gòu)，則對(duì)應(yīng)的線圈也將是長(zhǎng)圓形或橢圓形，其對(duì)可靠性影響主要存在兩方面：①長(zhǎng)圓或橢圓其結(jié)構(gòu)不如圓形規(guī)整，在承受短路能力方面的可靠性遠(yuǎn)不如圓形結(jié)構(gòu)；②長(zhǎng)圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)在繞制工藝的成熟性上略差，其長(zhǎng)軸方向由于受力不均，容易出現(xiàn)局部繞制不緊的情況，這對(duì)可靠性方面也存在一定的影響。因此，對(duì)于與核安全有關(guān)的安全級(jí)干式變壓器，不推薦采用長(zhǎng)圓形結(jié)構(gòu)，而對(duì)于可靠性要求沒(méi)有那么高的常規(guī)島及BOP干式變壓器，從性價(jià)比的角度，可以在能效產(chǎn)品上適當(dāng)?shù)耐茝V長(zhǎng)圓或橢圓形結(jié)構(gòu)的干式變壓器。

2.2 新能效干變經(jīng)濟(jì)性分析

綜合能效費(fèi)用法（又稱總擁有費(fèi)用法，TOC Method，Total Owning Cost Method）是DL/T 985配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則[3]為配電變壓器的經(jīng)濟(jì)性提供了評(píng)價(jià)方法，其中給出了通用的TOC值的計(jì)算公式如下（對(duì)于電廠這里不考慮無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量的影響）：

式中：CI——設(shè)備初始費(fèi)用；

A——變壓器空載損耗等效初始費(fèi)用系數(shù)，元/kW；

B——變壓器負(fù)載損耗等效初始費(fèi)用系數(shù)，元/kW；

P0——變壓器空載損耗，kW；

Pk——變壓器負(fù)載損耗，kW。

下面將采用該方法對(duì)老1級(jí)能效、新2級(jí)能效、新1級(jí)能效進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。由于這三者之間負(fù)載損耗標(biāo)準(zhǔn)值要求相同，從公式（1）可以看出，三者之間經(jīng)濟(jì)效益主要差別在于初始投資CI和空載損耗之間。而對(duì)于空載損耗等效初始費(fèi)用系數(shù)A按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：i——年貼現(xiàn)率[4]，取0.05；

n——配電變壓器經(jīng)濟(jì)使用期年數(shù)；

Ees——平均單位電價(jià)，考慮到目前各核電項(xiàng)目上網(wǎng)電價(jià)并不完全一致，這里簡(jiǎn)單的取大致平均值0.4元/kWh；

Hpy——年帶電小時(shí)數(shù)，取8760h。

對(duì)于核電項(xiàng)目，這里n分別取30年和60年，計(jì)算得到A30=53865元/kW，A60=66328元/kW，由此，以800kVA核電站用干式變壓器為研究對(duì)象，以老1級(jí)能效（SCB13）為基準(zhǔn)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較如表3所示。

從表3可以看出，由于目前變壓器主材中銅和高牌號(hào)硅鋼片單價(jià)處于高位，所以采用較優(yōu)能效產(chǎn)品時(shí)，設(shè)備單價(jià)較為昂貴，且核電上網(wǎng)電價(jià)并不高，因此從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，對(duì)于核電站用干式變壓器，考慮貼現(xiàn)率為0.05時(shí)，只有采用長(zhǎng)圓結(jié)構(gòu)的新2級(jí)能效較目前選用的老1級(jí)能效更為經(jīng)濟(jì)。而對(duì)于核電產(chǎn)品還需要兼顧設(shè)備的可靠性，對(duì)于安全級(jí)干式變壓器盡量采用可靠性更高的圓形結(jié)構(gòu)，因此，綜合考慮對(duì)國(guó)家節(jié)能政策的符合性以及設(shè)備投資的經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，采用新2級(jí)能效是目前情況下的最優(yōu)選擇。

表3 老1級(jí)能效（SCB13）、新2級(jí)能效（SCB14）、新1級(jí)能效（SCB18）經(jīng)濟(jì)性比較

2.3 非晶合金干式變壓器的適用性分析

除了硅鋼片（電工鋼）干式變壓器外，GB 20052—2020還給出了非晶合金干式變壓器的1～3級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，其負(fù)載損耗與電工鋼對(duì)應(yīng)能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相同，而由于其采用了新型更加節(jié)能的非晶合金鐵心，所以空載損耗則比同等級(jí)的硅鋼干式變壓器進(jìn)一步下降60%，節(jié)能效果更加突出。但由于非晶合金帶材自身的應(yīng)力敏感性以及其飽和磁密較低，所以非晶合金干變鐵心設(shè)計(jì)磁密低，鐵心截面大，重量中，成本也更高，并且其在核電領(lǐng)域尚未有過(guò)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此在當(dāng)前情況下，其經(jīng)濟(jì)性和可靠性還有待更進(jìn)一步的研究，在條件許可下可以尋求在BOP廠房或常規(guī)島廠房進(jìn)行掛網(wǎng)試運(yùn)行以驗(yàn)證其適用性。

3 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)干式變壓器其為核島安全級(jí)設(shè)備提供電源，其可靠性直接影響到電站事故情況下的安全功能，需通過(guò)設(shè)備鑒定以驗(yàn)證其事故情況下執(zhí)行其安全功能的能力，安全級(jí)干式變壓器推薦的鑒定程序[5]如圖2所示。

圖2 安全級(jí)干式變壓器推薦的鑒定程序（抗震和承受短路能力試驗(yàn)順序不分先后）

針對(duì)老1級(jí)能效的1000kVA和2500kVA產(chǎn)品已有國(guó)內(nèi)廠家通過(guò)安全級(jí)鑒定，可以覆蓋國(guó)內(nèi)相關(guān)核電堆型的安全級(jí)干式變壓器。

在新能效推出后，也將在安全級(jí)干式變壓器中得到推廣應(yīng)用，需要進(jìn)行補(bǔ)充鑒定。考慮到老1級(jí)能效、新2級(jí)能效、新1級(jí)能效其主要區(qū)別在于空載損耗，其所采用的絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)以及絕緣水平要求均可保持一致，由此可以判斷其絕緣結(jié)構(gòu)耐熱性評(píng)定以及整機(jī)等效加速熱老化試驗(yàn)均可通過(guò)分析法進(jìn)行判定。為了滿足空載損耗差異可采取的措施在本文第2.1節(jié)中進(jìn)行論述，若僅是采用更低單位鐵損的硅鋼片材料，那么由于各牌號(hào)硅鋼片在物理性能上，如密度、硬度等方面的差異基本可忽略，所以，在鐵心整體重量、結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化的情況下，可認(rèn)為原抗震鑒定也可滿足新能效的要求。

通過(guò)上述分析可以看出，基于老1級(jí)能效產(chǎn)品已完成了全套鑒定試驗(yàn)，僅通過(guò)替換高牌號(hào)硅鋼片的可以滿足新2級(jí)能效干變的要求，這種方式下，原老1級(jí)能效設(shè)備鑒定結(jié)論可以推廣到新2級(jí)能效設(shè)備，但是對(duì)于新1級(jí)能效，由于空載損耗下降太多，不改變鐵心和線圈結(jié)構(gòu)的前提下無(wú)法滿足其對(duì)空載損耗的要求，所以對(duì)于新1級(jí)能效干變?cè)O(shè)備在保持原鑒定設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的前提下，還需要補(bǔ)充新的型式試驗(yàn)和抗震鑒定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)新能效標(biāo)準(zhǔn)推出實(shí)施后，其對(duì)核電站干式變壓器選擇的影響進(jìn)行了分析，主要探討了新能效干變的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線、運(yùn)用TOC法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析評(píng)價(jià)、并針對(duì)安全級(jí)設(shè)備的鑒定適用性進(jìn)行了探討。

從設(shè)備的成熟性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性的角度而言，目前情況下，采用新2級(jí)能效其之前項(xiàng)目中所采用的老1級(jí)能效空載損耗下降5%，負(fù)載損耗相同，其變化最小，成本和綜合能效費(fèi)用（TOC）也較為經(jīng)濟(jì)，若在可靠性要求相對(duì)較低的常規(guī)島及BOP廠房中采用長(zhǎng)圓形干式變壓器，較現(xiàn)行的老1級(jí)能效圓形干式變壓器并不會(huì)造成成本的增加。對(duì)于可靠性要求高，需要通過(guò)安全級(jí)鑒定的核島安全級(jí)干式變壓器而言，若采用新2級(jí)能效則僅需通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整鐵心硅鋼片牌號(hào)及結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)，而考慮到鐵心材料不具有老化機(jī)理，所以可以采用分析法或者補(bǔ)充聯(lián)合抗震試驗(yàn)的組合法即可滿足鑒定程序要求，這樣可以在最小的改動(dòng)下兼顧設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及安全級(jí)鑒定要求，所以，采用新2級(jí)能效是目前新能效標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后較為合理的選擇方案。