電氣設(shè)計(jì)中變壓器綠色選型問(wèn)題的探討

邵 頲, 劉長(zhǎng)英

(1.上海華建工程建設(shè)咨詢(xún)有限公司, 上海 200041;2.海鴻電氣有限公司, 廣東 江門(mén) 529339)

0 引 言

變壓器作為電氣設(shè)計(jì)中主要的電氣設(shè)備,在綠色建筑的設(shè)計(jì)中,其能效、噪聲、損耗等綠色性能指標(biāo),對(duì)綠色建筑星級(jí)評(píng)價(jià)節(jié)能指標(biāo)的意義重大。特別是綠色發(fā)展作為《中國(guó)制造2025》全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)的基本方針之一,把可持續(xù)發(fā)展作為建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的重要著力點(diǎn),加強(qiáng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝、裝備推廣應(yīng)用,構(gòu)建綠色制造體系,走生態(tài)文明的發(fā)展道路,已經(jīng)成為各方共識(shí)。變壓器作為電網(wǎng)中能量損耗的主要一環(huán),其效率提升可節(jié)約大量能源,也是實(shí)行電氣綠色設(shè)計(jì)、綠色選型的主要技術(shù)裝備,大力推廣應(yīng)用綠色節(jié)能技術(shù)及綠色變壓器,對(duì)我國(guó)節(jié)能環(huán)保、低碳發(fā)展以及雙碳行動(dòng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)十分重要。

1 電氣綠色設(shè)計(jì)和綠色選型理念

即將完成的上海市綠建協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑電氣綠色設(shè)計(jì)與應(yīng)用規(guī)范》[1](簡(jiǎn)稱(chēng)“綠建應(yīng)用規(guī)范”),目前已進(jìn)入報(bào)批階段。綠建應(yīng)用規(guī)范首次在規(guī)范體系中提出了“電氣綠色設(shè)計(jì)”和“電氣綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品”的術(shù)語(yǔ)概念。這與工信部一直在推廣發(fā)展更新的“生態(tài)設(shè)計(jì)產(chǎn)品”理念相一致,其官網(wǎng)中每年也在不斷地?cái)U(kuò)充綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品的清單范圍,已批準(zhǔn)實(shí)施的GB/T 34664—2017《電子電氣產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)通則》為電氣行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品指明了生產(chǎn)制造的方向,也為綠色建筑項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)選型提供了新的設(shè)計(jì)依據(jù)。綠建應(yīng)用規(guī)范中的電氣綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品,是指按照全壽命周期理念,在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段系統(tǒng)考慮原材料獲取、生產(chǎn)制造、包裝運(yùn)輸、使用維護(hù)和回收處理等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)資源環(huán)境造成的影響,力求產(chǎn)品在全壽命周期中最大限度降低資源消耗、盡可能少用或不用含有有害物質(zhì)的原材料,減少污染物產(chǎn)生和排放,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的電氣產(chǎn)品。設(shè)計(jì)選型中考慮產(chǎn)品全壽命周期的綠色性能指標(biāo),是今后應(yīng)提倡的新理念思路,做到這一點(diǎn)才能更好地貫徹落實(shí)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的行動(dòng)目標(biāo)。

2 變壓器綠色性能指標(biāo)

配電變壓器是配電網(wǎng)中能量損耗占比較大的設(shè)備,其效率提升可節(jié)約大量能源。根據(jù)調(diào)研,全國(guó)三級(jí)能效及三級(jí)能效以下的變壓器為1 100萬(wàn)臺(tái)左右,使用時(shí)間長(zhǎng)、鐵損高、噪聲大,部分已對(duì)環(huán)境造成污染。降低變壓器的能耗對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的節(jié)能具有重要意義。

變壓器綠色性能應(yīng)貫穿于材料選用、制造、工藝、使用和回收等全生命周期,各階段均應(yīng)考慮綠色制造的理念,并控制好如下主要性能指標(biāo)和目標(biāo)。

(1) 資源利用率高(節(jié)材,即節(jié)省硅鋼片、銅等資源用量)。

(2) 能源消費(fèi)低(節(jié)能低碳,空、負(fù)載損耗滿(mǎn)足GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》[2]能效標(biāo)準(zhǔn)中2級(jí)及以上水平)。

(3) 對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少(環(huán)保,即絕緣材料選用阻燃型,可燃物含量低;生產(chǎn)過(guò)程避免或盡可能減少與環(huán)保要求不符的工序;運(yùn)行過(guò)程低噪聲、低輻射等)。

(4) 材料利用率高或可最大限度被再利用。

(5) 回收處理過(guò)程中廢棄物、有毒有害氣體排放少,回收過(guò)程能源消耗少。

3 變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)的要求

新發(fā)布的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》已于2021年6月1日起正式實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)與原有標(biāo)準(zhǔn)2013版相比,能效水平顯著提升,已優(yōu)于歐盟、日本、美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。民用建筑中,干式變壓器新舊國(guó)標(biāo)型號(hào)損耗對(duì)比如表1所示。

表1 干式變壓器新舊國(guó)標(biāo)型號(hào)損耗對(duì)比

新國(guó)標(biāo)空載損耗值與歐盟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如圖1所示。

新國(guó)標(biāo)負(fù)載損耗值與歐盟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如圖2所示。

為了推動(dòng)變壓器新能標(biāo)的應(yīng)用,國(guó)家工信部、市場(chǎng)監(jiān)管總局、能源局等聯(lián)合發(fā)布了《變壓器能效提升計(jì)劃(2021—2023)》[3],加快高效節(jié)能變壓器(如立體卷鐵心、非晶合金、硅橡膠等)推廣應(yīng)用,提升能源資源利用效率,推動(dòng)綠色低碳和高質(zhì)量發(fā)展。文件中特別提出,加強(qiáng)如立體卷鐵心結(jié)構(gòu)等高效節(jié)能變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝技術(shù)創(chuàng)新,提高變壓器數(shù)字化、智能化、綠色化水平。

根據(jù)工信部能效提升計(jì)劃數(shù)據(jù),我國(guó)掛網(wǎng)運(yùn)行變壓器1 530萬(wàn)臺(tái),容量48億kVA。我國(guó)配電變壓器型號(hào)分布如表2所示。

表2 我國(guó)配電變壓器型號(hào)分布

配電變壓器新能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的提升,將減小變壓器能耗,提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。以上述數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),將S13及以下能效等級(jí)的配電變壓器升級(jí)為新能效等級(jí)的配電變壓器,將會(huì)大大促進(jìn)輸配電系統(tǒng)的節(jié)能減排。新能標(biāo)變壓器應(yīng)用后的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益如表3所示。

表3 新能標(biāo)變壓器應(yīng)用后的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益

4 新技術(shù)變壓器產(chǎn)品性能及適用特點(diǎn)

目前變壓器新技術(shù)產(chǎn)品,除了非晶合金變壓器外,還有立體卷變壓器、硅橡膠變壓器、環(huán)保型絕緣油變壓器等。本文以市場(chǎng)上較為成熟應(yīng)用的立體卷干式變壓器為例,說(shuō)明該類(lèi)變壓器的產(chǎn)品性能及適用特點(diǎn)[4-5]。

4.1 制造工藝特點(diǎn)

立體卷鐵心的每個(gè)單框由經(jīng)開(kāi)料機(jī)曲線(xiàn)剪切開(kāi)料形成的若干根硅鋼帶薄片連續(xù)卷繞而成,卷繞后每個(gè)單框橫截面接近半圓形,整裝拼合后的橫截面接近整圓,空間利用率高。不同于傳統(tǒng)的平面疊鐵心是由縱剪生產(chǎn)線(xiàn)和橫剪生產(chǎn)線(xiàn),將硅鋼帶加工成一定形狀的硅鋼片,再將硅鋼片按階梯型橫截面方式疊成。傳統(tǒng)疊鐵心和環(huán)氧澆注變壓器如圖3所示。立體卷鐵心和干式變壓器如圖4所示。

4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性

立體卷鐵心磁路中沒(méi)有接縫,三相磁路長(zhǎng)度相等、對(duì)稱(chēng),并且都是最短的,因此磁阻大大降低,心柱的橫截面填充系數(shù)高,接近圓形,更具備節(jié)省材料、損耗低、噪聲低、環(huán)保系數(shù)高、三相平衡等諸多優(yōu)點(diǎn)。立體卷鐵心磁路示意圖如圖5所示。

(1) 空載性能提高明顯,立體卷鐵心變壓器空載損耗比傳統(tǒng)疊鐵心變壓器空載損耗理論上偏低30%～40%。

(2) 噪聲降低明顯,符合環(huán)保要求。以200 kVA為例,經(jīng)權(quán)威部門(mén)檢測(cè),立體三角形卷鐵心變壓器樣機(jī)只有33.6 dB,平面疊鐵心變壓器樣機(jī)為51 dB,而國(guó)標(biāo)要求為54 dB。

(3) AC相、AB相、BC相磁路等長(zhǎng)且最短布置,實(shí)現(xiàn)了三相磁路的完全對(duì)稱(chēng),保證三相電壓平衡。

(4) 空載電流低。在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中降低運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的損耗,增大電網(wǎng)功率因數(shù),提升電力系統(tǒng)設(shè)備的利用率,以及節(jié)省無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐度搿?/p>

(5) 立體卷鐵心截面近似于圓形,而疊鐵心截面只能是階梯形,因此其空間填充系數(shù)比疊鐵心高4%～6%。

(6) 立體卷鐵心硅鋼片利用率約為100%;疊鐵心硅鋼片經(jīng)過(guò)裁剪后利用率約為95%。

(7) 生產(chǎn)機(jī)械化程度高,不需要疊鐵心的橫剪、人工疊片、拆插鐵軛等手工操作,減少5～6道工序,質(zhì)量易控制。

4.3 絕緣系統(tǒng)特點(diǎn)

干式變壓器的絕緣系統(tǒng)主要有環(huán)氧樹(shù)脂和杜邦NOMEX紙兩種,即SCB型和SGB型。近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)綠色制造、節(jié)能環(huán)保的關(guān)注度日益增多,NOMEX紙及環(huán)保浸漬漆絕緣系統(tǒng)的SGB型變壓器應(yīng)用比例也在日趨增多。立體卷變壓器線(xiàn)圈主絕緣采用NOMEX紙和環(huán)保絕緣漆,均屬于R(C)級(jí)絕緣,通過(guò)UL認(rèn)證,電氣、機(jī)械性能優(yōu)異,且屬于高阻燃、環(huán)保型絕緣材料,防潮性能好,回收方便,可自然降解,對(duì)環(huán)境無(wú)任何危害。同時(shí)可燃材料用量?jī)H為環(huán)氧樹(shù)脂澆注干式變壓器的1/8,可有效減少因火災(zāi)造成的事故損失。

4.4 經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)

相同主材成本下SGB-RL型與SCB型、SCBH型干式變壓器性能比較如表4所示。

表4 相同主材成本下SGB-RL型與SCB型、SCBH型干式變壓器性能比較

由表4可知,相同主材成本情況下:相對(duì)于SCB型疊鐵心變壓器,SGB-RL型敞開(kāi)式立體卷鐵心干式變壓器運(yùn)行更具有經(jīng)濟(jì)性,且噪聲、重量、體積顯著降低,同時(shí)可回收率高;相對(duì)于SCBH型非晶合金變壓器,SGB-RL型敞開(kāi)式立體卷鐵心干式變壓器運(yùn)行成本略高2%,而噪聲、重量、體積顯著降低,且可回收率高。

立體卷鐵心與常規(guī)疊鐵心變壓器對(duì)比,電磁場(chǎng)性能上,具有空載損耗(電流)低、負(fù)載損耗低、周邊電場(chǎng)/磁場(chǎng)強(qiáng)度小、溫度場(chǎng)分布均勻、三相磁路平衡、抗短路能力強(qiáng)等特點(diǎn);資源節(jié)約上,具有銅材用料少、硅鋼材料節(jié)省明顯等優(yōu)點(diǎn);運(yùn)行維護(hù)上,具有年運(yùn)行成本低、電費(fèi)少等特點(diǎn);運(yùn)行環(huán)境上,具有可靠性好、噪聲低等特點(diǎn);可持續(xù)發(fā)展上,具有運(yùn)行壽命長(zhǎng)、環(huán)保可回收等優(yōu)勢(shì),因此是一款具備綠色產(chǎn)品性能的新技術(shù)產(chǎn)品。國(guó)網(wǎng)設(shè)備部“關(guān)于印發(fā)立體卷鐵心變壓器、避雷器、全絕緣熔斷器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工作研討會(huì)議紀(jì)要”的通知中要求:2021年6月起,各省電力公司應(yīng)按立體卷鐵心變壓器、硅鋼疊鐵心變壓器標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品各占 50%的比例采購(gòu)高效節(jié)能變壓器,把立體卷鐵心變壓器在國(guó)網(wǎng)招標(biāo)量中的占比由原來(lái)的20%提高到50%。

5 變壓器綠色選型設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)

綠色技術(shù)的發(fā)展使民用建筑內(nèi)干式變壓器的選擇又多了一種新技術(shù)產(chǎn)品。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,電氣設(shè)計(jì)人員在完成電力負(fù)荷計(jì)算及變壓器容量確定后,除了常規(guī)的電氣性能參數(shù)上進(jìn)行比較外,應(yīng)更關(guān)注綠色建筑方面體現(xiàn)綠色性能指標(biāo)的一些參數(shù)，如能效、噪聲、重量、環(huán)保可回收等要素。

綠建應(yīng)用規(guī)范中,在對(duì)變壓器容量采用綜合能效費(fèi)用法(TOC)比選之外,綠色選型方面,著重提出了以下的規(guī)定要求:

(1) 滿(mǎn)足節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證規(guī)則及電子電氣產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)通則的要求。

(2) 滿(mǎn)足新的能效限定值及能效等級(jí)要求,并建議在綠色建筑星級(jí)評(píng)價(jià)上,二星、三星級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)項(xiàng)目宜滿(mǎn)足能效1級(jí);一星級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)項(xiàng)目不低于能效2級(jí)。

(3) 規(guī)定了負(fù)載能力要求高的場(chǎng)所，建議采用H級(jí)及以上的要求,以及提出對(duì)工藝環(huán)保、可回收的要求。

(4) 提出了噪聲控制的要求。

(5) 提出對(duì)設(shè)計(jì)選型型號(hào)標(biāo)注的要求。

在設(shè)計(jì)選型標(biāo)注上,可按照綠建應(yīng)用規(guī)范附錄E中的要求,這也是參照J(rèn)B/T 3837—2016《變壓器類(lèi)產(chǎn)品型號(hào)編制方法》[6]的規(guī)定,在標(biāo)注型號(hào)后加注能效等級(jí)后綴“-NX1”或“-NX2”,更能明確設(shè)計(jì)要求。因?yàn)閷?duì)于同樣的能效標(biāo)準(zhǔn)值,電工鋼帶和非晶合金類(lèi)變壓器的序列號(hào)有所不同,也容易混淆。

基于行業(yè)總體技術(shù)發(fā)展水平考慮,同時(shí)結(jié)合能效標(biāo)準(zhǔn)、能效提升計(jì)劃、綠色制造和綠色設(shè)計(jì)等多方面綜合分析,變壓器綠色選型需重點(diǎn)關(guān)注制造過(guò)程節(jié)材、環(huán)保,使用階段安全、節(jié)能、可回收等方面。

6 結(jié) 語(yǔ)

十四五期間,國(guó)家將繼續(xù)堅(jiān)持綠色、可持續(xù)的發(fā)展之路,為“碳達(dá)峰”、“碳中和”的遠(yuǎn)景發(fā)展目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在供配電設(shè)備領(lǐng)域,立體卷、硅橡膠、非晶合金等新一代綠色變壓器產(chǎn)品,其環(huán)保、節(jié)能、安全可靠、絕緣等級(jí)高、防火性能好等特點(diǎn)均符合國(guó)家綠色制造、節(jié)能環(huán)保的政策要求及建筑行業(yè)綠色、節(jié)能和環(huán)保的發(fā)展理念,具有較好的推廣價(jià)值。