新能效標準在核電站干式變壓器的應用解析

張燦輝

（海南金盤智能科技股份有限公司）

0 引言

在低碳經濟發展背景下，核電具有較高的能量密度，而且占地面積比較小，單機容量比較大，可以保障發電的穩定性，因此可以利用核電代替化石能源，通過協同發展風光水等清潔能源，有利于提高能源布局的合理性，同時可以保障能源供應過程的安全性。干式變壓器具有較高的可靠性，同時可以發揮出防災防爆和免維護等優勢，因此在核電站用電中廣泛應用，可以轉化核電站中壓電為低壓電，為配電設備提供電源支持。干式變壓器在實際運行過程中可以轉換損耗為能量消耗，而實際損耗值直接關系到整體電站能效。因為核電站設計壽命通常是60年，而且一般情況下不會更換干式變壓器，因此變壓器鑒定壽命也是60年，需要選用高效能產品，可以滿足節能減排的需求，同時可以保障核電站發展的經濟性。

2021年實施的新能效標準對于大幅度的下調各能效等級干變損耗，同時發布的《變壓器能效提升計劃（2021-2023）》針對新能效標準配電變壓器推廣應用提出發展規劃。通過推出新能效標準，可以為核電站干式變壓器提供發展機遇。

1 干式變壓器的概念和結構特征

（1）干式變壓器的概念

干式變壓器的鐵心和繞組不會浸泡在油脂中，而冷卻介質是空氣。在冷卻過程中，主要是利用自然冷卻和主動控制方式。在自然冷卻過程中，可以在標準容量中實現長期運行。在主動控制冷卻階段，可以增強輸出容量在50%以上，可以在斷續高功能狀態中利用這一模式。在高負荷模式背景下，可以大幅度提高負載損耗和阻抗電壓，不利于保障經濟效益，因此干式變壓器不能長期處于連續高負荷運行狀態中[1]。

（2）干式變壓器使用特點

①在使用干式變壓器的過程中，具有很強的抗短路能力，同時保養維護工作量比較少，具有較高的運行效率，而且在日常運行中不會產生較大的噪聲，安裝部位要嚴格要求防火和防爆。②在長期使用過程中，干式變壓器具有良好的安全性和防火能力，不會污染周圍環境，而且可以在負荷中心中使用。經過優化改良，國產干式變壓器具有先進性優勢，而且具有顯著的機械強度和抗短路能力，整體使用壽命也優于其他類型的變壓器。③在使用干式變壓器的過程中不會產生較大的能耗，而且噪聲比較小，并且可以發揮出顯著的節能效果，還可以提高后續維護工作的便利性。④對比其他變壓器，干式變壓器具有顯著的散熱能力和超負荷運行能力，利用空氣冷卻方式，可以顯著提高運行容量。⑤對比其他類型的變壓器，干式變壓器具備防潮能力，因此可以應用于潮濕等惡劣環境。⑥可以設置氣溫測量和設備防護機制。可以利用智能化信息氣溫控制設備，自動化啟動和關閉風機，同時可以發揮出報警和跳閘功能。⑦對比其他類型的變壓器。干式變壓器具有較低的重量，體積也比較小，因此降低了整體維修費用。此外針對干式變壓器，鐵心利用優質冷軋晶粒取向硅鋼片，硅鋼利用45°接縫設計方式，可以順著接縫線路通過磁通線。

2 以往核電項目中干變的能效參數選擇

原來我國核電站利用的干式配電變壓器主要是依靠進口，因為沒有推出新能耗標準，損耗主要是利用常規干變系列。在二代改進型堆型階段，并沒有針對變壓器能效提出特殊要求，滿足國標10系列即可。在2015年我國開始進入東安全面建設時期，針對核電站干式變壓器能效要求為SCB13-NX1，要求項目符合1級能效。可以確定核電項目注重提高能效水平[3]。

2021我國開始實施新能效標準，我國核電項目也開始進入到新階段，其中新2級能效和新1級能效空載損耗都有所降低，而老1級能耗產品只能列入到新版3級能效。實施新能效標準之后，新推出的項目要符合新能效標準。

3 新能效干變的核電適用性和經濟性

提高能效之后將會增加材料用量和成本，為了保障核電站運行的可靠性，注意不能因為降低損耗而影響到產品可靠性。此外核電項目投資數量比較大，因此需要考慮設備采購成本和運行經濟性[4]。

3.1 降低空載損耗的措施

（1）利用性能較好的高牌號硅鋼片

近些年我國不斷發展硅鋼片材料技術，通過利用高牌號硅鋼片有利于降低空載損耗。利用高牌號硅鋼片，例如選用75或者70硅鋼片替換原來的85硅鋼片，可以生產新2級能效產品。為了實現新1級能效，需要合理增大鐵心截面，或者是降低鐵心磁密。利用高牌號硅鋼片，或者增加截面之后，不僅降低產品可靠性，再加上當前我國高牌號硅鋼片的產能有限，處于供不應求的狀態，而且材料價格非常高，還會增加成本。

（2）改變圓形結構為長圓或者橢圓結構

改變鐵心和線圈為長圓形或者橢圓形，有利于減少變壓器中心距，同時可以減少鐵軛長度，因此節省鐵心材料。固定磁密和鐵心牌號之后，變壓器空載損耗和鐵心重量之間呈現出正比的關系，而利用長圓形結構和橢圓形結構有利于節省鐵心材料用量，同時可以降低整體空載損耗[5]。

如果選擇長圓形或者橢圓形的鐵心結構，將會影響到可靠性，例如對比圓形，長圓和橢圓結構缺乏規整性，同時承受短路能力缺乏可靠性。再如長圓形和橢圓形結構繞制工藝不夠成熟，因為受力不均勻，在長軸方向很容易產生局部繞制不緊的情況，將會影響到可靠性。因此針對安全級干式變壓器不能選用長圓形結構，如果干式變壓器不夠重視可靠性要求，可以選擇長圓或者橢圓形結構。

3.2 新能效干變經濟性

當前變壓器主材中銅和高牌號硅鋼片成本較高，在選擇優質能效產品的過程中，因為設備單價較高，而且核電上網電價較低，為了實現經濟性目標，核電站干式變壓器的貼現率為0.05，需要利用長圓結構的新2級能效。同時需要保障核電產品設備的可靠性，針對安全級干式變壓器要選用圓形結構，因此需要結合國家節能政策，推廣利用新2級能效[6]。

3.3 非晶合金干式變壓器的適用性

非晶合金干式變壓器具有1~3級的能效標準，負載損耗和電工鋼能效等級標準具有一致性，由于利用了非晶合金鐵心，因此空載損耗顯著降低，突出了節能效果。但是非晶合金帶材缺乏應力敏感性，同時飽和磁密比較低，增加了工作成本，并且在核電領域缺乏使用經驗，因此需要進一步研究經濟性和可靠性，如果條件允許，可以在常規島廠房開展掛網試運行，驗證非晶合金干式變壓器的適用性。

4 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可以為核島安全級設備提供電源，而干式變壓器的可靠性直接關系到電站運行的安全性，因此需要開展設備鑒定，確定事故情況下干式變壓器的安全功能。下圖是安全級干式變壓器鑒定程序。

圖 安全級干式變壓器鑒定程序圖

針對老1級能效產品已經經過安全鑒定，可以覆蓋核電堆型的安全級干式變壓器。近些年在安全級干式變壓器中推廣利用新能效標準之后，需要補充鑒定程序。針對老1級能效和新2級能效之間的區別主要是針對空載能耗，可以統一絕緣結構以及絕緣水平，因此可以利用分析法判斷絕緣結構耐熱性和整機等效加速熱老化試驗。為了控制空載損耗差異，如果利用降低單位鐵損的硅鋼片材料，可以忽略各牌號硅鋼片密度和硬度等物理性能的差異，因此沒有改變鐵心重量和結構之后，利用原抗震鑒定即可滿足新能效標準需求[7]。

因為老1級能效產品已經完成全套鑒定試驗，只需更換高牌號硅鋼片即可實現新2級能效干變需求，在這一背景下可以在新2級能效設備推廣老1級能效設備鑒定結論，但是空載損耗顯著降低，如果沒有改變鐵心和線圈結構無法滿足空載損耗需求，因此應該以原鑒定設備絕緣結構為基礎，需要合理補充新型試驗和抗震鑒定。

5 結束語

本文分析實施新能效標準之后，對于核電站干式變壓器選擇的影響，分析新能效干變技術實現路線，并且利用TOC法開展經濟性分析評價，此外還探討了安全級設備的鑒定適用性。以設備成熟性和可靠性以及經濟性為基礎，當前利用新2級能效有利于降低空載損耗，而且負載損耗是相同的，綜合成本和綜合能效費用具有經濟性優勢，如果在常規島和廠房中利用長圓形干式變壓器，對比老1級能效圓形干式變壓器，并不會增加工作成本。而核島安全級干式變壓器更加注重可靠性，可以利用新2級能效，通過調整鐵心硅鋼片牌號和結構即可滿足要求，因為鐵心材料并沒有老化機理，因此可以利用分析法，或者可以補充聯合抗震試驗組合法，滿足鑒定需求，這樣可以保障設備的可靠性和經濟性，同時可以滿足安全級鑒定需求，因此當前利用新2級能效，可以滿足新能效標準實施之后的需求，這是一種科學的方案。