節(jié)能變壓器問題

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上所提出的更高要求，這將帶來設計、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)濟的技術革新”，使得變壓器的生產(chǎn)企業(yè)和電磁線的供應企業(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，應該分析其長期的資源利用價值和所應用設備的使用價值，調(diào)整外匯使用和投資政策，并關注充分利用好現(xiàn)有設備的可再循環(huán)資源的回收和再利用，調(diào)整耗能產(chǎn)業(yè)結構，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信息包括了變壓器的設計、生產(chǎn)、采購、運行、服務和融資的各個環(huán)節(jié)，因此，加強整個供應鏈的信息交流有利于上游對于下游需求的把握，加強技術升級，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)技術的發(fā)展。

（5）變壓器節(jié)能效益評估和缺乏融資服務

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。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，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。盡管在融資服務上有一定的困難，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《關于節(jié)約能源基本建設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超過5年，最長不超過7年，做為權衡投資與節(jié)能效益的政策規(guī)定。

根據(jù)以上計算結果，可得出如下結論：

（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，因此推廣應用SH12符合節(jié)約能源的國家政策導向；

（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)權衡SH12、S9的投資及節(jié)能效益時，應做出推廣應用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，建議均應采用SH12，如一次性投資到位，可避免短期的重復投資。

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。

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，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)熱的結構損耗，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，能適應較大的機械應力破壞，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)必備的輸配電設備，其需求量與電電力網(wǎng)投資規(guī)模密切相關。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)搶占細分市場領域，擴大業(yè)務范圍的重要方向。同時，也促進了節(jié)能變壓器變壓器產(chǎn)品結構的優(yōu)化和技術的革新。

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)電設備新增裝機量密切相關，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域已有了飛躍發(fā)展。在80年代迅速應用于磁性材料領域，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構，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，非晶態(tài)鐵芯與硅鋼鐵芯有著顯著不同，見圖所示。

扎蘭屯市節(jié)能變壓器廠

扎蘭屯市糖廠