非晶合金變壓器及其在成都地鐵30號線的應用

付 莉，王永恒，王施宇

0 引言

近年來，作為軌道交通的重要系統，供電系統不斷探討適應節能環保發展的新趨勢。干式配電變壓器作為供電系統核心動力設備[1，2]，探討其節能減排策略具有重要意義。

本文調研分析配電變壓器實際運營數據及節能需求，對比分析非晶合金變壓器與普通硅鋼片配電變壓器主要技術參數，并結合成都地鐵30號線一期工程進一步探討非晶合金變壓器的節能優勢。

1 既有配電變壓器的負載率及節能需求

截至2021年7月，全國（不含港澳臺）共47個城市開通運營城市軌道交通線路246條，運營里程達7 961 km，其中上海和成都地鐵運營里程達766 km和557.8 km，對上海和成都地鐵采用的硅鋼片配電變壓器進行分析，具有一定代表性。

1.1 成都地鐵4號線配電變壓器的負載率

成都地鐵4號線于2015年12月底開通，該工程配電變壓器選用戶內環氧樹脂整體澆注干式變壓器。對成都地鐵4號線配電變壓器設計容量和實際運營負荷數據進行統計可知，其31個變電所中僅6個變電所配電變壓器負荷率遠大于30%，其余25個變電所配電變壓器負荷率在 30%左右，占全線80%。

1.2 上海地鐵9號線配電變壓器的負載率

上海地鐵9號線于2007年12月開通運營，該工程配電變壓器選用戶內環氧樹脂整體澆注干式變壓器。選取上海9號線中佘山站（高架站）、小南門站（地下標準站）、徐家匯站（地下樞紐站、3線換乘）3類典型變電所，對其 2013—2019年歷年8月份（全年用電最高月份）用電量進行調研統計，如圖1所示（單位：萬度）。

圖1 上海地鐵9號線3類典型變電所8月份用電量

按照6：00～23：00為地鐵工作時間，車站各系統滿負荷工作，非工作時間負荷按50%，可計算3座典型車站干式配電變壓器平均負載率，如表1所示。

表1 上海地鐵9號線3類典型變電所配電變壓器負載率

由表1可知，在全年用電量最高月份，高架站、地下標準站、地下樞紐站3類典型變電所實際運營過程中配電變壓器負荷率為11%～34%，可知其他月份配電變壓器負荷率均小于30%。

綜上所述，城市軌道交通中的干式配電變壓器長期處于輕載狀態。

1.3 配電變壓器的節能分析

地鐵配電變壓器供電范圍內的動力照明設備涉及通風空調、電扶梯、通信、信號、給排水、消防、屏蔽門等多專業和系統，其中通風與空調、扶梯與電梯、照明負荷為地鐵動力照明負荷的主要類型，這些負荷運行模式復雜，使得在選擇變壓器容量時，除需滿足正常運行的負荷外，還應考慮最不利的情況，即一臺變壓器退出時，另一臺變壓器能負擔變電所供電范圍內的遠期一、二級負荷（《地鐵設計規范》（GB 50157））。因此，目前地鐵配電變壓器在正常運行時負載率會相對較低，特別是在夜間地鐵停運時，負載率會更低（10%以下）。

在配電變壓器運行時，變壓器損耗包括空載損耗和負載損耗。空載損耗是不變的，負載損耗與負載率成正比，負載率低時，空載損耗是變壓器的主要損耗。基于這種情況，采用空載損耗低的節能型變壓器，對于長期輕載運行的變壓器節能效果顯著。目前，節能型變壓器包括非晶合金變壓器和卷鐵心變壓器，本文主要探討非晶合金變壓器。

2 非晶合金變壓器與硅鋼片變壓器的對比分析

2.1 非晶合金變壓器及其應用

配電變壓器鐵心材料由硅鋼片替換成非晶合金卷材，采用矩形截面、四框五柱結構，即為非晶合金變壓器。非晶合金變壓器是國家從2000年開始鼓勵發展的第一批環保產業設備，是節能、安全、綠色環保型高技術產品（國經貿資源[2000]159號），具有低噪音、低能耗、絕緣等級高等優點[3]，其空載損耗較常規硅鋼片變壓器下降70%，空載電流下降90%以上。

非晶合金材料早在20世紀70年代開始研制，其具有優異的導磁性、耐蝕性、耐磨性，高硬度、高強度、高電阻率等諸多獨特性能[4]。1978年美國首先研制出 10 kV·A非晶合金鐵心變壓器，1982年第一臺非晶合金配電變壓器在美國掛網運行[5]。據統計，目前全球掛網運行的非晶合金配電變壓器約有600多萬臺。

我國非晶合金配電變壓器的研制工作始于“七五”期間，1986年試制出國內第一臺單相3 kV·A非晶合金配電變壓器[6]。由于非晶合金變壓器節能效果明顯，各行各業已應用廣泛。在城市軌道交通領域，非晶合金干式變壓器運用也日益廣泛，其容量最大達2 500 kV·A，額定電壓最高達35 kV。

2.2 非晶合金變壓器與硅鋼片變壓器的對比分析

2.2.1 主要技術參數對比

目前，現行規范《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB 20052—2020）和《干式非晶合金鐵心配電變壓器技術參數和要求》（GB/T 22072—2018）對非晶合金變壓器主要技術參數進行了規定。

表2所示為城市軌道交通常見容量的3類35 kV配電變壓器的空載損耗、負載損耗等參數。這3類配電變壓器分別為：常規干式硅鋼片配電變壓器（SCB10）、節能干式硅鋼片配電變壓器（SCB13）和非晶合金干式變壓器（SCH15）。

由表2可知，非晶合金變壓器和常規配電變壓器負載損耗差異極小，其參數主要差異在空載損耗和空載電流的大小。將3類變壓器空載損耗值進行對比，如圖2所示。

圖2 SCB10、SCB13和SCH15的空載損耗比值

表2 配電變壓器SCB10、SCB13和非晶合金變壓器SCH15主要技術參數

由圖2可知，非晶合金變壓器空載損耗為常規配電變壓器的 30%左右，為節能型配電變壓器的40%左右，低能耗優點突出。

2.2.2 經濟性能對比分析

結合表2中相關變壓器的空載損耗，可計算出配電變壓器 SCB10、SCB13和非晶合金變壓器SCH15因空載損耗每年消耗的電能（表3）。

表3 變壓器年空載損耗消耗的電能 kW·h

從表3中數據可知，以1 250 kV·A容量為例，每臺SCH15變壓器相較于SCB10變壓器每年可節省電量約17 000度，如按電費0.68元/度計算，單臺非晶合金變壓器在30年的全壽命周期內共可節約電費34.68萬元。

2.2.3 變壓器效益對比分析

效率計算式：

式中：η為效率；β為負載率；SN為變壓器容量，kV·A；cosθ為功率因數；PO為空載損耗，kW；Pk為負載損耗，kW。

考慮cosθ取0.9[6]，由式（1）可計算出3種變壓器的效率，如圖3所示。

圖3 變壓器的效率

以1 600 kV·A和1 250 kV·A容量為例，可統計配電變壓器SCB10、SCB13和SCH15的最高效率及對應的負載率，如表4所示。

表4 變壓器最高效率及對應負載率 %

由圖3和表4可知，非晶合金變壓器的效率高于常規硅鋼片變壓器；負載率越低，非晶合金變壓器的高效性能越突出；負載率30%左右的變壓器更適合選用非晶合金變壓器。

2.2.4 其他性能對比分析

（1）溫升。非晶合金變壓器的空載損耗小，溫升也就相對較小[7]。據調研，非晶合金變壓器的鐵心、繞組溫升可比普通硅鋼片變壓器分別低約20 ℃、10 ℃。溫升的降低還可帶來其他直接收益：減輕了車站環控負荷；增強了變壓器的過負荷能力；降低了變壓器的老化速率，增加壽命等。

（2）可靠性、穩定性。非晶合金變壓器發展歷史雖然沒有硅鋼片變壓器久，但是其技術成熟、可靠[8]。上海地鐵曾委托某研究所對朱家角站1臺500 kV·A和淀山湖大道站1臺1 250 kV·A非晶合金變壓器進行抽檢，現場測試值和標準值對比如表5所示。

表5 非晶合金變壓器空載損耗現場測試值

從表5中數值可知，被抽檢非晶合金變壓器的空載性能均優于國家標準規定。

（3）抗外應力性能。非晶合金帶材具有脆性，其抗外應力性能不及硅鋼片變壓器。干式非晶合金帶碎片的產生主要發生在生產環節，在工廠澆筑完成后再產生碎片的可能性很小[9]。近年隨著生產工藝及運輸防護技術的提高，非晶合金碎片化的缺陷已有很大改善。

（4）噪音。非晶合金變壓器的噪聲主要來源于非晶合金變壓器鐵心、繞組及其他裝置（冷卻裝置）等。變壓器在運行過程中，非晶合金帶材的磁致伸縮現象是引起鐵心振動和噪聲的主要原因。由于非晶合金帶材的磁致伸縮率比硅鋼片大，因此非晶合金變壓器噪音比硅鋼變壓器略大[10]。

《干式非晶合金鐵心配電變壓器 技術參數和要求》（GB/T 22072—2018）中噪音參數較 JB/T 10088—2016《6 kV～1 000 kV級電力變壓器聲級》的要求高3～5 dB。非晶合金變壓器噪音較大，但也能滿足標準要求。

（5）尺寸、重量。非晶合金變壓器由于其鐵心工藝和結構方面的原因，產品的尺寸、重量通常比同容量常規硅鋼片變壓器大約10%和20%[11]。

3 非晶合金變壓器在成都地鐵30號線一期工程中的應用分析

3.1 成都地鐵30號線工程概況

成都地鐵30號線一期工程線路長約26.284 km，均位于地下，共設置13座牽引降壓混合變電所、12座降壓變電所、5座跟隨式降壓變電所，配電變壓器設置情況如表6所示。

表6 成都地鐵30號線配電變壓器設置 kV·A

3.2 非晶合金變壓器的應用分析

成都地鐵30號線在工程可行性研究評審及初步設計評審時，設計方案推薦配電變壓器采用非晶合金干式變壓器，且已通過初步設計專家審查和成都軌道交通第四輪建設線路四新技術引入論證。結合表3和表6，成都市電費單價按0.68元/度計算，可大致計算出30號線節約的電費（表7）。

表7 成都地鐵30號線非晶合金變壓器節約電費

由表7可知，相比常規硅鋼片干式變壓器SCB10，30號線一期采用非晶合金變壓器后，年節約電費約70.6萬元，在30年全壽命周期內可節約費用2 118萬元。

考慮非晶合金變壓器成本，需進一步分析靜態回收年限，通過市場調研和詢價，匯總市場上配電變壓器SCB10、SCB13和非晶合金變壓器SCH15的設備價格，如表8所示。

表8 設備單價 臺/萬元

由表9可知，30號線一期采用非晶合金變壓器，雖然設備投資增加約794萬元，但30年運營節約電費2 118萬元，凈節約投資1 324萬元，增加的設備投資約11年即可收回成本。

表9 30號線一期非晶合金變壓器節約投資（相比SCB10）

4 結語

對于城市軌道交通中干式配電變壓器長期處于30%的輕載狀態，非晶合金干式變壓器可大幅改善電能浪費嚴重的現象。

通過對成都地鐵30號線的應用分析可知，僅一條地鐵線，在30年全壽命周期內，非晶合金干式變壓器可節約成本1 300余萬元。隨著成都地鐵運營線路越來越多，未來運營能耗成本也越來越大，當運營線路達到650 km時，年空載損耗消耗電費將達到2 400萬元，非晶合金干式變壓器的應用經濟效益非常可觀。同時，目前非晶合金干式變壓器相關技術也較為成熟、可靠。綜上，非晶合金干式變壓器在城市軌道交通中具有良好的應用前景。