新能效標準在核電站干式變壓器的應用研究

李鑫 LI Xin；竇毅瑋 DOU Yi-wei

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

“雙碳經濟”背景下，核電憑借能量密度高、占地規模小、環境友好、單機容量大、發電量穩定等優勢，可大規模替代化石能源的電源，通過與風光水等清潔能源協同發展，對優化能源整體布局、保障能源供應安全具有重要意義。干式變壓器具有可靠性高、防災防爆、免維護等諸多優點，是核電站廠用電的重要電氣設備，應用于核電站核島、常規島及BOP配電系統中，將廠用中壓電轉換為低壓電為后續配電設備提供電源。干式變壓器運行過程中產生的損耗將轉換成能量消耗，其損耗值的大小將影響整個電站的能效。考慮到目前核電站的設計壽命都是按60年進行要求，而干式變壓器一般不會進行更換，尤其是安全級干式變壓器其鑒定壽命就是按60年進行要求，因此采用高能效產品，無論適應雙碳經濟的節能減排效應還是從電站的經濟性來說都是具有突出意義的。

2020年5月29日發布，2021年6月1日實施的新國標GB 20052—2020電力變壓器能效限定值及能效等級[1]（以下簡稱“新能效標準”）較大幅度的下調了各能效等級的干變損耗，同時，2020年12月22日，工業和信息化部辦公廳、市場監管總局辦公廳、國家能源局綜合司三部委發布了《變壓器能效提升計劃（2021-2023年）》[2]（下文簡稱《提升計劃》）對新能效標準配電變壓器推廣應用給出了總體發展規劃。新能效標準的推出也為核電站干式變壓器提供了新的選項，下面將就新能效干式變壓器在核電站的應用前景進行探討和分析。

1 以往核電項目中干變的能效參數選擇

我國核電起步于秦山一期，當時核電站用干式配電變壓器均以進口為主，在核電站中采用國產干變從巴基斯坦恰希瑪一期、秦山二期開始，當時還沒有推出GB 20052能效標準，損耗按常規干變系列（GB/T 10228）即可。在以M310堆型為基礎的二代改進型堆型階段，并未對變壓器的能效提出特殊要求，以滿足國標10系列為主。2015年開始，我國具有自主知識產權的華龍一號核電技術開始進入全面建設階段，其后對核電站干式變壓器的能效要求以SCB13-NX1為主，包括福清5、6號機組的常規島等項目均要求1級能效，其中的例外是華龍出口首堆K2K3項目要求的SCB10系列，福清5、6號機組核島要求的3級能效。從這個階段開始，可以看出核電項目中開始重視能效水平的提升。

在2021年，新能效標準開始實施后，核電項目招標和執行進入了能效選擇的新階段，對比新能效標準干式變壓器損耗值與2013版能效標準如表1和表2所示。（注：能效產品損耗值不允許正偏差）

通過表1和表2可以看出，新2級能效（SCB14）和新1級能效（SCB18）與老版2013版1級能效（SCB13）負載損耗相同，但空載損耗分別下降5%和20%，老1級能效產品只能列入新版3級能效。

表1 10kV電工鋼干式變壓器的主要技術變化（GB20052—2020與GB 20052—2013對比）

表2 核電站典型容量（800kVA）干式變壓器參數對比

在新能效標準實施后，新推出執行和招標的項目均逐步開始向新能效標準靠齊，如昌江二期、三門二期等項目中均要求采用新2級能效，但尚無項目招標要求采用新1級能效產品。

2 新能效干變的核電適用性和經濟性分析

能效的提升，將同時帶來材料用量以及成本的增加，而對于可靠性要求最高的核電站而言，還需同時兼顧為了降低損耗采取的改變對產品可靠性的影響分析。此外，核電項目投資較大，因此設備采購成本以及運行經濟性也是需要考慮的。

2.1 降低空載損耗的措施分析

由于新能效之前的SCB13與新2級能效和1級能效產品的負載損耗要求相同，所以對于新能效推廣使用，首先要分析降低空載損耗的措施，及其對可靠性以及成本的影響。相關措施分析如下：

2.1.1 采用更好性能的高牌號硅鋼片

隨著硅鋼片材料技術的快速發展，采用高牌號硅鋼片是最為直接的降低空載損耗的辦法。當前所采用的老版SCB13-NX1通常采用85牌號的硅鋼片即可滿足損耗要求，而目前國內寶武集團已具備單位鐵損0.65W/kg的65牌號硅鋼片的生產能力，若采用高牌號硅鋼片，如采用75或者70硅鋼片替換原85硅鋼片，即可實現新2級能效產品。若要進一步實現新1級能效，則還需配合增大鐵心截面以降低鐵心磁密等其它措施。采用高牌號硅鋼片或者增加截面，其對于產品可靠性不會有太大影響，但目前高牌號硅鋼片市場產能有限，供不應求，材料價格居高不下，所以這兩種方式均將帶來成本的巨大增加。

2.1.2 將圓形結構改為長圓或橢圓結構

圓形和長圓形變壓器的鐵心和線圈截面如圖1所示，通過將鐵心和線圈改為長圓形或橢圓形結構，可以有效縮短變壓器中心距（Mo），減少鐵軛長度和重量，降低鐵心材料使用。而在磁密和鐵心牌號不變的情況下，變壓器空載損耗與鐵心重量成正比，所以采用長圓形或橢圓形結構可以有效降低鐵心材料用量，并降低空載損耗。

圖1 圓形截面和長圓形截面的變壓器布置圖

但若采用了長圓形或橢圓形鐵心結構，則對應的線圈也將是長圓形或橢圓形，其對可靠性影響主要存在兩方面：①長圓或橢圓其結構不如圓形規整，在承受短路能力方面的可靠性遠不如圓形結構；②長圓形或橢圓形結構在繞制工藝的成熟性上略差，其長軸方向由于受力不均，容易出現局部繞制不緊的情況，這對可靠性方面也存在一定的影響。因此，對于與核安全有關的安全級干式變壓器，不推薦采用長圓形結構，而對于可靠性要求沒有那么高的常規島及BOP干式變壓器，從性價比的角度，可以在能效產品上適當的推廣長圓或橢圓形結構的干式變壓器。

2.2 新能效干變經濟性分析

綜合能效費用法（又稱總擁有費用法，TOC Method，Total Owning Cost Method）是DL/T 985配電變壓器能效技術經濟評價導則[3]為配電變壓器的經濟性提供了評價方法，其中給出了通用的TOC值的計算公式如下（對于電廠這里不考慮無功經濟當量的影響）：

式中：CI——設備初始費用；

A——變壓器空載損耗等效初始費用系數，元/kW；

B——變壓器負載損耗等效初始費用系數，元/kW；

P0——變壓器空載損耗，kW；

Pk——變壓器負載損耗，kW。

下面將采用該方法對老1級能效、新2級能效、新1級能效進行經濟性分析。由于這三者之間負載損耗標準值要求相同，從公式（1）可以看出，三者之間經濟效益主要差別在于初始投資CI和空載損耗之間。而對于空載損耗等效初始費用系數A按式（2）進行計算：

式中：i——年貼現率[4]，取0.05；

n——配電變壓器經濟使用期年數；

Ees——平均單位電價，考慮到目前各核電項目上網電價并不完全一致，這里簡單的取大致平均值0.4元/kWh；

Hpy——年帶電小時數，取8760h。

對于核電項目，這里n分別取30年和60年，計算得到A30=53865元/kW，A60=66328元/kW，由此，以800kVA核電站用干式變壓器為研究對象，以老1級能效（SCB13）為基準，進行經濟性比較如表3所示。

從表3可以看出，由于目前變壓器主材中銅和高牌號硅鋼片單價處于高位，所以采用較優能效產品時，設備單價較為昂貴，且核電上網電價并不高，因此從經濟性角度來看，對于核電站用干式變壓器，考慮貼現率為0.05時，只有采用長圓結構的新2級能效較目前選用的老1級能效更為經濟。而對于核電產品還需要兼顧設備的可靠性，對于安全級干式變壓器盡量采用可靠性更高的圓形結構，因此，綜合考慮對國家節能政策的符合性以及設備投資的經濟性角度來看，采用新2級能效是目前情況下的最優選擇。

表3 老1級能效（SCB13）、新2級能效（SCB14）、新1級能效（SCB18）經濟性比較

2.3 非晶合金干式變壓器的適用性分析

除了硅鋼片（電工鋼）干式變壓器外，GB 20052—2020還給出了非晶合金干式變壓器的1～3級能效標準，其負載損耗與電工鋼對應能效等級標準相同，而由于其采用了新型更加節能的非晶合金鐵心，所以空載損耗則比同等級的硅鋼干式變壓器進一步下降60%，節能效果更加突出。但由于非晶合金帶材自身的應力敏感性以及其飽和磁密較低，所以非晶合金干變鐵心設計磁密低，鐵心截面大，重量中，成本也更高，并且其在核電領域尚未有過應用經驗，因此在當前情況下，其經濟性和可靠性還有待更進一步的研究，在條件許可下可以尋求在BOP廠房或常規島廠房進行掛網試運行以驗證其適用性。

3 新能效應用對安全級干式變壓器的鑒定影響分析

核電站安全級干式變壓器其為核島安全級設備提供電源，其可靠性直接影響到電站事故情況下的安全功能，需通過設備鑒定以驗證其事故情況下執行其安全功能的能力，安全級干式變壓器推薦的鑒定程序[5]如圖2所示。

圖2 安全級干式變壓器推薦的鑒定程序（抗震和承受短路能力試驗順序不分先后）

針對老1級能效的1000kVA和2500kVA產品已有國內廠家通過安全級鑒定，可以覆蓋國內相關核電堆型的安全級干式變壓器。

在新能效推出后，也將在安全級干式變壓器中得到推廣應用，需要進行補充鑒定。考慮到老1級能效、新2級能效、新1級能效其主要區別在于空載損耗，其所采用的絕緣材料、絕緣結構以及絕緣水平要求均可保持一致，由此可以判斷其絕緣結構耐熱性評定以及整機等效加速熱老化試驗均可通過分析法進行判定。為了滿足空載損耗差異可采取的措施在本文第2.1節中進行論述，若僅是采用更低單位鐵損的硅鋼片材料，那么由于各牌號硅鋼片在物理性能上，如密度、硬度等方面的差異基本可忽略，所以，在鐵心整體重量、結構沒有明顯變化的情況下，可認為原抗震鑒定也可滿足新能效的要求。

通過上述分析可以看出，基于老1級能效產品已完成了全套鑒定試驗，僅通過替換高牌號硅鋼片的可以滿足新2級能效干變的要求，這種方式下，原老1級能效設備鑒定結論可以推廣到新2級能效設備，但是對于新1級能效，由于空載損耗下降太多，不改變鐵心和線圈結構的前提下無法滿足其對空載損耗的要求，所以對于新1級能效干變設備在保持原鑒定設備絕緣結構的前提下，還需要補充新的型式試驗和抗震鑒定。

4 結束語

本文針對新能效標準推出實施后，其對核電站干式變壓器選擇的影響進行了分析，主要探討了新能效干變的技術實現路線、運用TOC法進行經濟性分析評價、并針對安全級設備的鑒定適用性進行了探討。

從設備的成熟性、可靠性以及經濟性的角度而言，目前情況下，采用新2級能效其之前項目中所采用的老1級能效空載損耗下降5%，負載損耗相同，其變化最小，成本和綜合能效費用（TOC）也較為經濟，若在可靠性要求相對較低的常規島及BOP廠房中采用長圓形干式變壓器，較現行的老1級能效圓形干式變壓器并不會造成成本的增加。對于可靠性要求高，需要通過安全級鑒定的核島安全級干式變壓器而言，若采用新2級能效則僅需通過簡單調整鐵心硅鋼片牌號及結構即可實現，而考慮到鐵心材料不具有老化機理，所以可以采用分析法或者補充聯合抗震試驗的組合法即可滿足鑒定程序要求，這樣可以在最小的改動下兼顧設備的可靠性、經濟性以及安全級鑒定要求，所以，采用新2級能效是目前新能效標準實施后較為合理的選擇方案。