非晶合金變壓器在城市軌道交通中的應(yīng)用

謝 紅 張華志 夏金鳳

（1.武漢工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，430024，武漢；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，430063，武漢；3.南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車有限公司，412001，株洲∥第一作者，講師）

目前我國已開通和新建的城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）中采用的配電變壓器多為SCB9、SCB10系列。與SCB7系列相比，SCB9系列空載損耗下降了8%～15%，負(fù)載損耗降低約23%；而SCB10系列則在SCB9系列的基礎(chǔ)上空載損耗進(jìn)一步降低10%左右，負(fù)載損耗降低約5%。隨著國家節(jié)能減排政策的推行，尤其是2012年初國家發(fā)改委公布了《電網(wǎng)企業(yè)實(shí)施電力需求側(cè)管理目標(biāo)責(zé)任考核方案（試行）》，將電力電量節(jié)約指標(biāo)完成情況和電力需求側(cè)管理工作開展情況納入電網(wǎng)公司年度考核指標(biāo)，這些變壓器產(chǎn)品的能耗指標(biāo)已難以滿足要求。

1 非晶合金變壓器簡介

傳統(tǒng)電力變壓器的鐵心制造技術(shù)是以硅鋼片為基本材料。優(yōu)質(zhì)硅鋼片可以降低變壓器自身損耗，提高電能的轉(zhuǎn)換能力。隨著原材料工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，廠家開始采用非晶合金材料為鐵心制造變壓器。與冷軋硅鋼片相比，非晶合金材料具有許多獨(dú)特性能：具有延展性的非晶結(jié)構(gòu)，是一種各向同性的軟磁材料，磁化功率??；厚度極薄，只有0.03 mm；填充系數(shù)低，只有0.75～0.8；電阻率高，是硅鋼片的3～6倍；渦流損耗大大降低，單位損耗僅為硅鋼片的20%～30%。

采用非晶合金材料組裝而成的變壓器鐵心由非晶合金帶材卷制而成，為矩形截面、四框五柱結(jié)構(gòu)，空載損耗比傳統(tǒng)的變壓器降低很多。此外，非晶合金變壓器采用全密封式結(jié)構(gòu)，可延緩變壓器絕緣紙的老化，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且具有運(yùn)行效率高、免維護(hù)、運(yùn)行性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

目前國家電網(wǎng)及南方電網(wǎng)已經(jīng)開始全面部署更換其中的SCB7、SCB9等高耗能型變壓器。這將使非晶合金變壓器這種新型節(jié)能變壓器在公用電網(wǎng)中的應(yīng)用得到飛速的發(fā)展。

2 非晶合金變壓器在城軌中的應(yīng)用

2.1 技術(shù)性能對比

2.1.1 變壓器空載損耗

非晶合金變壓器的鐵心是由熔融狀態(tài)下的合金冷卻后制成，由于其特殊的導(dǎo)磁性能，比傳統(tǒng)的硅鋼變壓器空載損耗大大減少。據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將這兩種變壓器的空載損耗對比列于表1［4，9］。

據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算可得，采用非晶合金材料制造的變壓器其空載損耗僅為SCB 10系列變壓器的36%左右，是SCB9系列變壓器的28%。

表1 SCBH 15（非晶合金）與SCB 10、SCB 9系列變壓器空載損耗

城軌用電設(shè)備負(fù)荷特性與一般工業(yè)與民用用電設(shè)備不同。通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)及照明負(fù)荷，是城軌配電變壓器的主要負(fù)荷，設(shè)備運(yùn)行模式非常復(fù)雜。在選擇變壓器容量時(shí)，除須滿足正常運(yùn)行負(fù)荷外，還須考慮一臺變壓器故障或檢修時(shí)，另一臺變壓器可以滿足一、二級負(fù)荷的供電要求。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷率較低，尤其夜間停運(yùn)時(shí)，負(fù)荷率更低。變壓器的運(yùn)行損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗?？蛰d損耗不變，負(fù)載損耗與負(fù)荷率成正比。低負(fù)載率時(shí)，空載損耗是變壓器的主要損耗。因此，采用空載損耗低的非晶合金變壓器對于城市軌道交通的節(jié)能效果十分明顯。

2.1.2 變壓器效率

變壓器的效率是指變壓器輸出功率P2和輸入功率P1的百分比，用η表示。

式中：

P0——空載損耗；

PK——負(fù)載損耗；

K——年平均負(fù)載系數(shù)。

以城市軌道交通中常用的容量為1 000 kVA的變壓器為例，將表1中SCBH15非晶合金變壓器和SCB10硅鋼變壓器性能參數(shù)代入式（1），可計(jì)算出不同負(fù)荷率下的η（見表2）。

表2 SCBH 15與SCB 10變壓器效率%

由表2可見，非晶合金變壓器的效率要高于傳統(tǒng)的硅鋼變壓器。城軌配電變壓器正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷率一般為0.2～0.3，此時(shí)非晶合金變壓器效率要比傳統(tǒng)的硅鋼變壓器高約0.5個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

2.2.1 變壓器總擁有費(fèi)用

當(dāng)前國內(nèi)用戶在采購變壓器時(shí)，一般偏重合同價(jià)格，而對變壓器使用壽命期內(nèi)空載損耗的等效初始費(fèi)用及負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用不太關(guān)心。國外采購變壓器時(shí)一般采用的“總擁有費(fèi)用”（Total Owning Cost，簡為TOC）法，是指變壓器初始投資及在其運(yùn)行使用期間空載損耗及負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用的總和。該方法實(shí)質(zhì)是選擇總擁有費(fèi)用值最小的技術(shù)方案作為最佳經(jīng)濟(jì)方案的分析方法。采用總擁有費(fèi)用來分析比較不同配電變壓器的能效經(jīng)濟(jì)水平是目前國際上比較通用的方法。在采用TOC法的同時(shí)，國外用戶對不講信譽(yù)弄虛作假的廠家有一整套嚴(yán)厲的處罰措施，以此保證廠家所報(bào)資料的真實(shí)性。

我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T985—2005《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)導(dǎo)則》中，已推薦采用TOC計(jì)算配電變壓器綜合效能費(fèi)用。

2.2.2 基于TOC的經(jīng)濟(jì)效益分析

《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)導(dǎo)則》推薦的綜合效能費(fèi)用計(jì)算見式（2）。

式中：

CTO——配電變壓器的綜合能效費(fèi)用，元；

CI——配電變壓器設(shè)備初始費(fèi)用，元；

P0——變壓器額定空載損耗，W；

Pk——變壓器額定負(fù)載損耗，W；

A——單位空載損耗的等效初始費(fèi)用，元／kW；

B——單位負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用，元／kW。

對于工業(yè)商業(yè)企業(yè)配電變壓器的A、B系數(shù)計(jì)算公式見式（3）～（6）。

式中：

Kpv——現(xiàn)值系數(shù)；

Ee——單位電量電費(fèi)，元／kWh；

Ec——單位容量電費(fèi)，元／（kW·月）；

Hpy——變壓器年帶電小時(shí)數(shù)；

n——變壓器的經(jīng)濟(jì)使用期年數(shù)；

i——年貼現(xiàn)率。

式中：

PL——n期間的年負(fù)載等效系數(shù)；

τ——年最大負(fù)載損耗小時(shí)數(shù)；

kt——變壓器的溫度校正系數(shù)；

β0——變壓器的初始負(fù)載系數(shù)，標(biāo)幺值；

g——變壓器最大負(fù)荷年均增長率（預(yù)測值）。

當(dāng)g＝0（即認(rèn)為經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)負(fù)載不變）時(shí)，P2L＝Kpv×β20。據(jù)文獻(xiàn)［2］給出經(jīng)驗(yàn)公式

式中：

β——變壓器負(fù)載系數(shù)，取值范圍為0～1；

τ——對應(yīng)于β的小時(shí)數(shù)；

按照上述式（3）～（7），年貼現(xiàn)率i取7%，變壓器壽命取30年，kt取1.145，Ee取0.68元／kWh，Ec取22.5元／（kW·月），τ取8 760 h；參見文獻(xiàn)［2］廣州地鐵運(yùn)營負(fù)載曲線仍以城市軌道交通常用的1 000 kVA配電變壓器為例，將上述系數(shù)及SCBH15、SCB10的空載損耗、負(fù)載損耗及設(shè)備初始費(fèi)用（市場參考價(jià)SCBH15為22萬元／臺，SCB 10為17萬元／臺）代入式（2），可得綜合效能費(fèi)用SCBH15為296 967元，SCB10為346 770元?？梢娫谌珘勖芷趦?nèi)，每臺非晶合金變壓器的綜合效能費(fèi)用可比SCB10硅鋼變壓器約節(jié)約5萬元。地鐵設(shè)計(jì)常規(guī)供電一般每20 km約需動力變壓器40臺。以北京地鐵6號線為例，全長30.4 km，采用SCBH15相較SCB10的綜合效能費(fèi)用可節(jié)約300萬元，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

3 結(jié)語

我國自1986年由上海變壓器廠自主研制了30 kVA的非晶合金變壓器，并進(jìn)入實(shí)用階段。目前國內(nèi)的置信電氣、中電電氣、順特電氣、江蘇華鵬、特變電工、天威保變等多家變壓器制造廠商均已掌握了非晶合金變壓器的生產(chǎn)技術(shù)。這為高效節(jié)能的非晶變壓器逐步推廣應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。目前，我國已建軌道交通項(xiàng)目中還沒有采用非晶變壓器。隨著國家對“能耗／GDP”節(jié)能指標(biāo)的推行，現(xiàn)今北京地鐵在建項(xiàng)目已開始采購10 kV非金合金變壓器，上海申通地鐵集團(tuán)技術(shù)中心與上海滬光變壓器有限公司共同承擔(dān)的《35 kV干式非晶合金環(huán)氧澆注變壓器研制及應(yīng)用研究》課題也已通過了專家驗(yàn)收，樣機(jī)已于2011年4月在上海軌道交通11號線掛網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，與傳統(tǒng)的SCB10型變壓器相比節(jié)能效果顯著。綜上所述，非晶合金變壓器在城市軌道交通應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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