节能变压器

　　电力变压器自1881年发明至今已经有一百多年。目前大多数情况下，电能的电压等级自发电站到用户至少要经过5级变压器，方可输送到低压用电设备(380V/22 0V)。虽然变压器本身效率很高，但因其数量多、容量大，总损耗仍是很大的。据估计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10%左右，如损耗每降低1%，每年可节约上百亿度电，因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施。

　　特点

　　变压器损耗中的空载损耗，即铁损，主要发生在变压器铁芯叠片内，主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。

　　节能变压器

　　节能变压器

　　最早用于变压器铁芯的材料是易于磁化和退磁的软熟铁，变压器铁芯是由铁线制成，而不是由整块铁构成，为了克服磁回路中由周期性磁化所产生的磁阻损失和铁芯由于受交变磁通切割而产生的涡流。用线束制作的铁芯可有效减少涡流路径的截面积。

　　在1900年左右，经研究发现在铁中加入少量的硅或铝可大大降低磁路损耗，增大导磁率，且使电阻率增大，涡流损耗降低。经多次改进，方用0.35mm厚的硅钢片来代替铁线制作变压器铁芯。

　　近年来世界各国都在积极研究生产节能材料，变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料——非晶态磁性材料2605S2，非晶合金铁芯变压器便应运而生。使用2605S2制作的Satons变压器，其铁损仅为硅钢变压器的1/5，铁损大幅度降低。

　　非晶态合金早在太阳能电池领域已有了飞跃发展。在80年代迅速应用于磁性材料领域，美国阿拉伊特公司长期从事非晶态材料的研究，以METGLAS为品名。1979年已研制出具有实用价值的2605SC，其材料成份为Fe81B13.5Si3.5C2。该公司在1981年又试制成功非晶态磁性2605S2，化学成份为：Fe78B13Si9，与最初的2605SC相比，降低了磁通密度，改善了热稳定性，降低了铁损，两者性能比较见表1所示。

　　非晶态合金是无晶料原子结构，一个个原子无规则的分布在材料的基体中，并能迅速冷却而出现玻璃状成份。典型的非晶态合金含80%的铁，而其它成份是硼和硅。非晶态合金有很多生产方法，但最常见的是把熔化的金属蒸汽喷在高速旋转的铜绕线架上，熔化的金属以106℃/s的速率冷却并固化成薄肋状;因淬火形成的高内应力必须用200℃～280℃之间的退火来减小，以便成为好的磁特性材料。

　　发展前景

　　从我国部分新能源发电行业来看节能变压器发展趋势是很明朗的，风电、光伏发电、垃圾发电、余热发电等的发电装机容量均保持增长。截至2012年底，全国累计风电装机容量为6083万千瓦，同比增长率达35.0%，光伏发电累计装机容量接近5000MW，余热发电新增装机容量为800MW左右等。节能变压器作为发电行业必备的输配电设备，其需求量与电电力网投资规模密切相关。近年来，新能源发电行业的快速发展，更为节能变压器带来了较好的发展空间，也成为节能变压器制造企业抢占细分市场领域，扩大业务范围的重要方向。同时，也促进了节能变压器变压器产品结构的优化和技术的革新。

　　以风电和太阳能发电为例，国家规划到2020年我国风电装机容量将达到15000万千瓦，2012-2020年间，风电新增装机容量约为8700万千瓦，节能变压器需求量与发电设备新增装机量密切相关，其配比接近12：1，到2020年我国风电行业节能变压器需求量增量约为10.44亿千伏安。同时，根据《可再生能源发展“十二五”规划》，到2015年末国内太阳能发电装机目标有望上调至1500万千瓦，2012-2015年间，光伏发电新增装机容量约为1100万千瓦，到2015年光伏发电行业新增节能变压器需求约为1.32亿千伏安。由此可见，节能变压器在新能源发电行业具有广阔的发展前景。

　　结构

　　美国麻省理工学院于1979年采用2605SC制作了15kVA的干式变压器。日本于1981年7月采用2605S2试制了10kVA的变压器，再于1982年8月试制了30kVA的高压油浸变压器，1983年2月又试制了35kVA三相五柱式模型变压器作研究对象。我国在80年代初期进行对非晶态合金变压器的研究，并于1986年由上海变压器厂研制了30kVA的非晶态铁芯变压器。90年代非晶铁芯变压器的研发已进入实用阶段，国内数厂家相继引进国外技术，生产出较大容量的非晶铁芯变压器。

　　非晶合金铁芯变压器

　　非晶合金铁芯变压器

　　非晶合金铁芯变压器的构成

　　(1)变压器铁芯均为三相五柱式两行矩形排列，在两个旁柱中流过零序磁通，磁通不经过箱体，不产生发热的结构损耗，使变压器能满足低噪声、低损耗;

　　(2)高低压线圈均为矩形的铜绕组，当线圈偶然发生短路时，能适应较大的机械应力破坏，线圈不产生变形;

　　(3)箱体采用冷轧钢板制成的片状散热器，高低压套管的上方加装防冰雹、防尘、防雨罩，其引线无导体裸露，可用电缆接线，全绝缘保护;

　　(4)变压器热循环油填充硅油，箱体全密封，20年内免维护，且可适应高温场所。

　　非晶合金铁芯变压器的规格

　　(1)容量：30kVA～1600kVA，电压6kV～10kV/0.4kV/0.22kV，联结组标号为Y·yn0，D·yn11;

　　(2)空载损耗、负载损耗、阻抗电压、主绝缘均符合GB/T6451-1995的技术要求。

　　非晶合金铁芯变压器，具有低噪音、低损耗等特点，其空载损耗仅为常规产品的1/5，且全密封免维护，运行费用极低。

　　S7系列变压器是1980年后推出的变压器，其效率较SJ、SJL、SL、SL1系列的变压器高，其负载损耗也较高。80年代中期又设计生产出S9系列变压器，其价格较S7系列平均高出20%，空载损耗较S7系列平均降低8%，负载损耗平均降低24%，并且国家已明令在1998年底前淘汰S7、SL7系列，推广应用S9系列。非晶合金铁芯变压器SH12系列的空载损耗较S9系列降低75%左右，但其价格仅比S9系列平均高出30%，其负载损耗与S9系列变压器相等。下面仅对其节能效果与投资效益做一计算实例。

　　原理

　　节能变压器的计算公式

　　(1)有功损耗：ΔP=P0+KTβ2PK(1)

　　(2)无功损耗：ΔQ=Q0+KTβ2QK(2)

　　(3)综合功率损耗：ΔPZ=ΔP+KQΔQ(3)

　　Q0≈I0%SN，QK≈UK%SN

　　式中：Q0——空载无功损耗(kvar)

　　P0——空载损耗(kW)

　　PK——额定负载损耗(kW)

　　SN——变压器额定容量(kVA)

　　I0%——变压器空载电流百分比。

　　UK%——短路电压百分比

　　β——平均负载系数

　　KT——负载波动损耗系数

　　QK——额定负载漏磁功率(kvar)

　　KQ——无功经济当量(kW/kvar)

　　计算条件

　　(1)取KT=1.05;

　　(2)变压器容量SN=800kVA联结组别为Y·yno;

　　(3)对城市电网和工业企业电网的6kV～10kV降压变压器取系统最小负荷时，其无功当量KQ=0.1kW/kvar;

　　(4)变压器平均负载系数，对于农用变压器可取β=20%;对于工业企业，实行三班制，可取β=75%，以下按这两种情况计算;

　　(5)变压器(800kVA)价格为S7=76000元，S9=91000元，SH12=118300元;

　　(6)变压器运行小时数T=8760h，最大负载损耗小时数：t=5500h;

　　(7)电费按综合电费0.60元/kWh(未按两部电价计算方法);

　　(8)变压器空载损耗P0、负载损耗PK、I0%、UK%，见表2所示。

　　计算实例

　　根据计算公式及计算条件，按β=20%和β=75%两种情况分析，计算过程及结果见表3所示。

　　投资价差回收年限

　　投资价差回收年限，一般有两种计算方法：

　　(1)静态投资回收期：不考虑投资的货币时间价值，计算公式：=;

　　(2)动态投资回收期：考虑投资的货币时间价值，将现在投资及未来收益均以资金的折现率折为现值。此法计算复杂，要涉及通货膨胀率、资金银行利率、折现率等，因此不确定因素多。在此建议不采用此法，则宜采用静态投资回收期。

　　SN=800kVA的SH12较S7多投资：

　　ΔCS7=118300-76000=42300元

　　SH12较S9多投资：

　　ΔCS9=118300-91000=27300元

　　在β=20%时，多投资的回收年限为：

　　TS7===4.49(年)

　　TS9===3.79(年)

　　在β=75%时，多投资的回收年限为：

　　T'S7===2.59(年)

　　T'S9===3.79(年)

　　其它容量的SH12较S7，S9多投资回收年限计算，均可采用上述计算方法及步骤。

　　问题

　　变压器节能是在产品质量要求和性能安全可靠基础上所提出的更高要求，这将带来设计、制造等额外的成本投入，以满足用户降低更多能源损耗的需求。因此，这不仅需要以全寿命周期管理思想为前提，计算投资与回收的长期经济效益、也需要建立在公平竞争、有效监督管理和节能财税优惠等市场与政策支持的有效机制。

　　而目前配电变压器行业竞争激烈，面对原材料成本高的压力，以及节能评估体系建设和市场监督管理的不足，选用节能变压器所面临的较高初次投入，使得节能变压器的推广带来一定的困难。

　　(1)变压器原材料的成本压力

　　变压器原材料，包括硅钢片、铜等材料的价格高是节能变压器发展所面临的主要困难和问题。变压器损耗的降低主要来自于冷轧取向硅钢片技术工艺的进步所带动的空载损耗降低和变压器绕组的负载损耗降低。由于近两年宝钢产能扩大和技术水平提高，和武钢一起逐步满足国内市场对于冷轧取向硅钢片的要求，因此硅钢片的市场价格也将逐步趋于稳定。 “而对于电磁线，并没有基于材料性能上的更加经济的技术革新”，使得变压器的生产企业和电磁线的供应企业在居高的铜价和剧烈的价格波动中，难于控制成本，也大幅压缩了企业的利润空间，降低了进一步降低负载损耗的意愿。

　　我国是缺铜国家，精铜主要来自进口，铜价受国际供需和国际游资影响。面对这样一种环境和资源需求，更应该综合考虑铜资源利用对产业影响并分析促进社会经济价值最大化的合理应用区间。

　　资源可以固化为社会财富，也是经济发展的持续动力。对于具备一定金融属性的金属材料使用，应该分析其长期的资源利用价值和所应用设备的使用价值，调整外汇使用和投资政策，并关注充分利用好现有设备的可再循环资源的回收和再利用，调整耗能产业结构，充分利用国外的资源，提升国内的资源利用效率和促进循环经济的发展，并发挥资源利用的长期经济价值。

　　(2) 缺乏变压器全寿命周期管理

　　很多的电力用户并没有建立起积极的资产全寿命周期成本管理、环境影响评定并缺乏有效的评估和能源服务人员。在配电变压器当中，采购人员或者对于节能变压器的经济运行和综合成本评价认识不足，或者在资金有限的情况下仅能考虑短期的投资成本，而不得不忽略长期运行和维护成本。

　　(3)政策法规需要更加细致的实施和有力的监管由于变压器的制造特点，使得用户很难判定新购买变压器的质量、性能和标定的损耗水平是否真实满足标准。加上运行管理中对于用能计量的不足，无法评定实际运行损耗并提出更为有效的经济运行和管理措施。

　　目前，电网用户已在积极想办法，采取抽检、临检的方式，以确保新采购变压器满足安全运行和实际损耗要求，杜绝伪劣产品的流入。

　　(4)加强节能信息沟通与政策标准的协调发展节能变压器政策和技术信息包括了变压器的设计、生产、采购、运行、服务和融资的各个环节，因此，加强整个供应链的信息交流有利于上游对于下游需求的把握，加强技术升级，同时也有利于用户了解所负担的综合成本，积极寻求节能投资的好项目，以发挥节能采购和改造的最大经济效益。

　　另一方面，由于目前产品标准与国家能效标准对于损耗的要求在个别条款中描述的差异，也造成了用户对损耗指标的疑问。目前在配电变压器能效标准的修订中，将更好地协调国家行业等标准对于各项指标的要求，并互相促进以利于整体行业技术的发展。

　　(5)变压器节能效益评估和缺乏融资服务

　　在非供电企业中，变压器节能量也与电费的收取方式有关。在节能变压器的推广中，对于按照变压器容量计算基本电费时所可能造成节能但不节钱的情况将不利于节能变压器的选择，而发挥不出节能变压器的应有作用。

　　在部分老旧变压器的节能改造中，由于改造资金的不足，且改造的投资回收期较长，如无优惠政策的支持，企业变压器节能改造将有一定难度。

　　目前，尽管有很多融资服务，如合同能源管理模式，变压器的CDM或PCDM项目，都很少针对中小企业的变压器改造提供服务。尽管在融资服务上有一定的困难，但是随着政府部门的节能力度的深入，节能变压器未来可能进入惠民工程和享受所得税优惠政策，对节能变压器将带来进一步的推动作用。

　　国家计委节能局在1983年颁布实施的《关于节约能源基本建设项目可行性研究的暂行规定》中指出：计算投资回收年限一般不应超过5年，最长不超过7年，做为权衡投资与节能效益的政策规定。

　　根据以上计算结果，可得出如下结论：

　　(1)SH12较S7，S9多投资的部分均在政策规定的年限内收回，因此目前推广应用SH12符合节约能源的国家政策导向;

　　(2)在农村地区一般情况下平均负载率为15%～20%，SH12较S7多投资回收年限稍长，但较S9多投资的回收年限较短，说明在农村地区权衡SH12、S9的投资及节能效益时，应做出推广应用SH12代替S9的决策;

　　(3)在工矿企业中，实行三班制，负载率一般在50%～80%，SH12多投资的回收年限较农村地区短，其投资效益更加显著;

　　(4)广泛推广应用非晶合金铁芯变压器，无论是在农村地区的农网改造，还是在厂矿企业，尤其是在新建的配电室变电站中，建议均应采用SH12，如一次性投资到位，可避免短期的重复投资。