節(jié)能變壓器結(jié)構(gòu)

美國麻省理工學院于1979年采用2605SC制作了15kVA的干式變壓器。日本于1981年7月采用2605S2試制了10kVA的變壓器，再于1982年8月試制了30kVA的高壓油浸變壓器，1983年2月又試制了35kVA三相五柱式模型變壓器作研究對象。我國在80年代初期進行對非晶態(tài)合金變壓器的研究，并于1986年由上海變壓器廠研制了30kVA的非晶態(tài)鐵芯變壓器。90年代非晶鐵芯變壓器的研發(fā)已進入實用階段，國內(nèi)數(shù)廠家相繼引進國外技術(shù)，生產(chǎn)出較大容量的非晶鐵芯變壓器。

非晶合金鐵芯變壓器的構(gòu)成

（1）變壓器鐵芯均為三相五柱式兩行矩形排列，在兩個旁柱中流過零序磁通，磁通不經(jīng)過箱體，不產(chǎn)生發(fā)熱的結(jié)構(gòu)損耗，使變壓器能滿足低噪聲、低損耗；

（2）高低壓線圈均為矩形的銅繞組，當線圈偶然發(fā)生短路時，能適應(yīng)較大的機械應(yīng)力破壞，線圈不產(chǎn)生變形；

（3）箱體采用冷軋鋼板制成的片狀散熱器，高低壓套管的上方加裝防冰雹、防塵、防雨罩，其引線無導(dǎo)體裸露，可用電纜接線，全絕緣保護；

（4）變壓器熱循環(huán)油填充硅油，箱體全密封，20年內(nèi)免維護，且可適應(yīng)高溫場所。

非晶合金鐵芯變壓器的規(guī)格

（1）容量：30kVA～1600kVA，電壓6kV～10kV/0．4kV/0．22kV，聯(lián)結(jié)組標號為Y·yn0，D·yn11；

（2）空載損耗、負載損耗、阻抗電壓、主絕緣均符合GB/T6451－1995的技術(shù)要求。

非晶合金鐵芯變壓器，具有低噪音、低損耗等特點，其空載損耗僅為常規(guī)產(chǎn)品的1/5，且全密封免維護，運行費用極低。

S7系列變壓器是1980年后推出的變壓器，其效率較SJ、SJL、SL、SL1系列的變壓器高，其負載損耗也較高。80年代中期又設(shè)計生產(chǎn)出S9系列變壓器，其價格較S7系列平均高出20%，空載損耗較S7系列平均降低8%，負載損耗平均降低24%，并且國家已明令在1998年底前淘汰S7、SL7系列，推廣應(yīng)用S9系列。非晶合金鐵芯變壓器SH12系列的空載損耗較S9系列降低75%左右，但其價格僅比S9系列平均高出30%，其負載損耗與S9系列變壓器相等。下面僅對其節(jié)能效果與投資效益做一計算實例。

從我國部分新能源發(fā)電行業(yè)來看節(jié)能變壓器發(fā)展趨勢是很明朗的，風電、光伏發(fā)電、垃圾發(fā)電、余熱發(fā)電等的發(fā)電裝機容量均保持增長。截至2012年底，全國累計風電裝機容量為6083萬千瓦，同比增長率達35.0%，光伏發(fā)電累計裝機容量接近5000MW，余熱發(fā)電新增裝機容量為800MW左右等。節(jié)能變壓器作為發(fā)電行業(yè)必備的輸配電設(shè)備，其需求量與電電力網(wǎng)投資規(guī)模密切相關(guān)。近年來，新能源發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，更為節(jié)能變壓器帶來了較好的發(fā)展空間，也成為節(jié)能變壓器制造企業(yè)搶占細分市場領(lǐng)域，擴大業(yè)務(wù)范圍的重要方向。同時，也促進了節(jié)能變壓器變壓器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和技術(shù)的革新。

以風電和太陽能發(fā)電為例，國家規(guī)劃到2020年我國風電裝機容量將達到15000萬千瓦，2012-2020年間，風電新增裝機容量約為8700萬千瓦，節(jié)能變壓器需求量與發(fā)電設(shè)備新增裝機量密切相關(guān)，其配比接近12：1，到2020年我國風電行業(yè)節(jié)能變壓器需求量增量約為10.44億千伏安。同時，根據(jù)《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，到2015年末國內(nèi)太陽能發(fā)電裝機目標有望上調(diào)至1500萬千瓦，2012-2015年間，光伏發(fā)電新增裝機容量約為1100萬千瓦，到2015年光伏發(fā)電行業(yè)新增節(jié)能變壓器需求約為1.32億千伏安。由此可見，節(jié)能變壓器在新能源發(fā)電行業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。

變壓器損耗中的空載損耗，即鐵損，主要發(fā)生在變壓器鐵芯疊片內(nèi)，主要是因交變的磁力線通過鐵芯產(chǎn)生磁滯及渦流而帶來的損耗。最早用于變壓器鐵芯的材料是易于磁化和退磁的軟熟鐵，變壓器鐵芯是由鐵線制成，而不是由整塊鐵構(gòu)成，為了克服磁回路中由周期性磁化所產(chǎn)生的磁阻損失和鐵芯由于受交變磁通切割而產(chǎn)生的渦流。用線束制作的鐵芯可有效減少渦流路徑的截面積。

在1900年左右，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在鐵中加入少量的硅或鋁可大大降低磁路損耗，增大導(dǎo)磁率，且使電阻率增大，渦流損耗降低。經(jīng)多次改進，方用0．35mm厚的硅鋼片來代替鐵線制作變壓器鐵芯。

近年來世界各國都在積極研究生產(chǎn)節(jié)能材料，變壓器的鐵芯材料已發(fā)展到最新的節(jié)能材料——非晶態(tài)磁性材料2605S2，非晶合金鐵芯變壓器便應(yīng)運而生。使用2605S2制作的Satons變壓器，其鐵損僅為硅鋼變壓器的1/5，鐵損大幅度降低。

非晶態(tài)合金早在太陽能電池領(lǐng)域已有了飛躍發(fā)展。在80年代迅速應(yīng)用于磁性材料領(lǐng)域，美國阿拉伊特公司長期從事非晶態(tài)材料的研究，以METGLAS為品名。1979年已研制出具有實用價值的2605SC，其材料成份為Fe81B13．5Si3．5C2。該公司在1981年又試制成功非晶態(tài)磁性2605S2，化學成份為：Fe78B13Si9，與最初的2605SC相比，降低了磁通密度，改善了熱穩(wěn)定性，降低了鐵損，兩者性能比較見表1所示。

非晶態(tài)合金是無晶料原子結(jié)構(gòu)，一個個原子無規(guī)則的分布在材料的基體中，并能迅速冷卻而出現(xiàn)玻璃狀成份。典型的非晶態(tài)合金含80%的鐵，而其它成份是硼和硅。非晶態(tài)合金有很多生產(chǎn)方法，但最常見的是把熔化的金屬蒸汽噴在高速旋轉(zhuǎn)的銅繞線架上，熔化的金屬以106℃/s的速率冷卻并固化成薄肋狀；因淬火形成的高內(nèi)應(yīng)力必須用200℃～280℃之間的退火來減小，以便成為好的磁特性材料。

變壓器鐵芯噪音，其中很重要的原因與鐵芯材料的磁致伸縮有關(guān)，非晶態(tài)鐵芯與硅鋼鐵芯有著顯著不同，見圖所示。

節(jié)能變壓器的計算公式

（1）有功損耗：ΔP=P0 KTβ2PK（1）

（2）無功損耗：ΔQ=Q0 KTβ2QK（2）

（3）綜合功率損耗：ΔPZ=ΔP KQΔQ（3）

Q0≈I0%SN，QK≈UK%SN

式中：Q0——空載無功損耗（kvar）

P0——空載損耗（kW）

PK——額定負載損耗（kW）

SN——變壓器額定容量（kVA）

I0%——變壓器空載電流百分比。

UK%——短路電壓百分比

β——平均負載系數(shù)

KT——負載波動損耗系數(shù)

QK——額定負載漏磁功率（kvar）

KQ——無功經(jīng)濟當量（kW/kvar）

計算條件

（1）取KT=1．05；

（2）變壓器容量SN=800kVA聯(lián)結(jié)組別為Y·yno；

（3）對城市電網(wǎng)和工業(yè)企業(yè)電網(wǎng)的6kV～10kV降壓變壓器取系統(tǒng)最小負荷時，其無功當量KQ=0．1kW/kvar；

（4）變壓器平均負載系數(shù)，對于農(nóng)用變壓器可取β=20%；對于工業(yè)企業(yè)，實行三班制，可取β=75%，以下按這兩種情況計算；

（5）變壓器（800kVA）價格為S7=76000元，S9=91000元，SH12=118300元；

（6）變壓器運行小時數(shù)T=8760h，最大負載損耗小時數(shù)：t=5500h；

（7）電費按綜合電費0．60元/kWh（未按兩部電價計算方法）；

（8）變壓器空載損耗P0、負載損耗PK、I0%、UK%，見表2所示。

計算實例

根據(jù)計算公式及計算條件，按β=20%和β=75%兩種情況分析，計算過程及結(jié)果見表3所示。

投資價差回收年限

投資價差回收年限，一般有兩種計算方法：

（1）靜態(tài)投資回收期：不考慮投資的貨幣時間價值，計算公式：=；

（2）動態(tài)投資回收期：考慮投資的貨幣時間價值，將投資及未來收益均以資金的折現(xiàn)率折為現(xiàn)值。此法計算復(fù)雜，要涉及通貨膨脹率、資金銀行利率、折現(xiàn)率等，因此不確定因素多。在此建議不采用此法，則宜采用靜態(tài)投資回收期。

SN=800kVA的SH12較S7多投資：

ΔCS7=118300－76000=42300元

SH12較S9多投資：

ΔCS9=118300－91000=27300元

在β=20%時，多投資的回收年限為：

TS7===4．49（年）

TS9===3．79（年）

在β=75%時，多投資的回收年限為：

T'S7===2．59（年）

T'S9===3．79（年）

其它容量的SH12較S7，S9多投資回收年限計算，均可采用上述計算方法及步驟。

變壓器節(jié)能是在產(chǎn)品質(zhì)量要求和性能安全可靠基礎(chǔ)上所提出的更高要求，這將帶來設(shè)計、制造等額外的成本投入，以滿足用戶降低更多能源損耗的需求。因此，這不僅需要以全壽命周期管理思想為前提，計算投資與回收的長期經(jīng)濟效益、也需要建立在公平競爭、有效監(jiān)督管理和節(jié)能財稅優(yōu)惠等市場與政策支持的有效機制。

而配電變壓器行業(yè)競爭激烈，面對原材料成本高的壓力，以及節(jié)能評估體系建設(shè)和市場監(jiān)督管理的不足，選用節(jié)能變壓器所面臨的較高初次投入，使得節(jié)能變壓器的推廣帶來一定的困難。

（1）變壓器原材料的成本壓力

變壓器原材料，包括硅鋼片、銅等材料的價格高是節(jié)能變壓器發(fā)展所面臨的主要困難和問題。變壓器損耗的降低主要來自于冷軋取向硅鋼片技術(shù)工藝的進步所帶動的空載損耗降低和變壓器繞組的負載損耗降低。由于近兩年寶鋼產(chǎn)能擴大和技術(shù)水平提高，和武鋼一起逐步滿足國內(nèi)市場對于冷軋取向硅鋼片的要求，因此硅鋼片的市場價格也將逐步趨于穩(wěn)定。 “而對于電磁線，并沒有基于材料性能上的更加經(jīng)濟的技術(shù)革新”，使得變壓器的生產(chǎn)企業(yè)和電磁線的供應(yīng)企業(yè)在居高的銅價和劇烈的價格波動中，難于控制成本，也大幅壓縮了企業(yè)的利潤空間，降低了進一步降低負載損耗的意愿。

我國是缺銅國家，精銅主要來自進口，銅價受國際供需和國際游資影響。面對這樣一種環(huán)境和資源需求，更應(yīng)該綜合考慮銅資源利用對產(chǎn)業(yè)影響并分析促進社會經(jīng)濟價值最大化的合理應(yīng)用區(qū)間。

資源可以固化為社會財富，也是經(jīng)濟發(fā)展的持續(xù)動力。對于具備一定金融屬性的金屬材料使用，應(yīng)該分析其長期的資源利用價值和所應(yīng)用設(shè)備的使用價值，調(diào)整外匯使用和投資政策，并關(guān)注充分利用好現(xiàn)有設(shè)備的可再循環(huán)資源的回收和再利用，調(diào)整耗能產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，充分利用國外的資源，提升國內(nèi)的資源利用效率和促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，并發(fā)揮資源利用的長期經(jīng)濟價值。

（2） 缺乏變壓器全壽命周期管理

很多的電力用戶并沒有建立起積極的資產(chǎn)全壽命周期成本管理、環(huán)境影響評定并缺乏有效的評估和能源服務(wù)人員。在配電變壓器當中，采購人員或者對于節(jié)能變壓器的經(jīng)濟運行和綜合成本評價認識不足，或者在資金有限的情況下僅能考慮短期的投資成本，而不得不忽略長期運行和維護成本。

（3）政策法規(guī)需要更加細致的實施和有力的監(jiān)管由于變壓器的制造特點，使得用戶很難判定新購買變壓器的質(zhì)量、性能和標定的損耗水平是否真實滿足標準。加上運行管理中對于用能計量的不足，無法評定實際運行損耗并提出更為有效的經(jīng)濟運行和管理措施。

電網(wǎng)用戶已在積極想辦法，采取抽檢、臨檢的方式，以確保新采購變壓器滿足安全運行和實際損耗要求，杜絕偽劣產(chǎn)品的流入。

（4）加強節(jié)能信息溝通與政策標準的協(xié)調(diào)發(fā)展節(jié)能變壓器政策和技術(shù)信息包括了變壓器的設(shè)計、生產(chǎn)、采購、運行、服務(wù)和融資的各個環(huán)節(jié)，因此，加強整個供應(yīng)鏈的信息交流有利于上游對于下游需求的把握，加強技術(shù)升級，同時也有利于用戶了解所負擔的綜合成本，積極尋求節(jié)能投資的好項目，以發(fā)揮節(jié)能采購和改造的最大經(jīng)濟效益。

另一方面，由于產(chǎn)品標準與國家能效標準對于損耗的要求在個別條款中描述的差異，也造成了用戶對損耗指標的疑問。在配電變壓器能效標準的修訂中，將更好地協(xié)調(diào)國家行業(yè)等標準對于各項指標的要求，并互相促進以利于整體行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

（5）變壓器節(jié)能效益評估和缺乏融資服務(wù)

在非供電企業(yè)中，變壓器節(jié)能量也與電費的收取方式有關(guān)。在節(jié)能變壓器的推廣中，對于按照變壓器容量計算基本電費時所可能造成節(jié)能但不節(jié)錢的情況將不利于節(jié)能變壓器的選擇，而發(fā)揮不出節(jié)能變壓器的應(yīng)有作用。

在部分老舊變壓器的節(jié)能改造中，由于改造資金的不足，且改造的投資回收期較長，如無優(yōu)惠政策的支持，企業(yè)變壓器節(jié)能改造將有一定難度。

盡管有很多融資服務(wù)，如合同能源管理模式，變壓器的CDM或PCDM項目，都很少針對中小企業(yè)的變壓器改造提供服務(wù)。盡管在融資服務(wù)上有一定的困難，但是隨著政府部門的節(jié)能力度的深入，節(jié)能變壓器未來可能進入惠民工程和享受所得稅優(yōu)惠政策，對節(jié)能變壓器將帶來進一步的推動作用。

國家計委節(jié)能局在1983年頒布實施的《關(guān)于節(jié)約能源基本建設(shè)項目可行性研究的暫行規(guī)定》中指出：計算投資回收年限一般不應(yīng)超過5年，最長不超過7年，做為權(quán)衡投資與節(jié)能效益的政策規(guī)定。

根據(jù)以上計算結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

（1）SH12較S7，S9多投資的部分均在政策規(guī)定的年限內(nèi)收回，因此推廣應(yīng)用SH12符合節(jié)約能源的國家政策導(dǎo)向；

（2）在農(nóng)村地區(qū)一般情況下平均負載率為15%～20%，SH12較S7多投資回收年限稍長，但較S9多投資的回收年限較短，說明在農(nóng)村地區(qū)權(quán)衡SH12、S9的投資及節(jié)能效益時，應(yīng)做出推廣應(yīng)用SH12代替S9的決策；

（3）在工礦企業(yè)中，實行三班制，負載率一般在50%～80%，SH12多投資的回收年限較農(nóng)村地區(qū)短，其投資效益更加顯著；

（4）廣泛推廣應(yīng)用非晶合金鐵芯變壓器，無論是在農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)網(wǎng)改造，還是在廠礦企業(yè)，尤其是在新建的配電室變電站中，建議均應(yīng)采用SH12，如一次性投資到位，可避免短期的重復(fù)投資。

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