非晶合金变压器在城市轨道交通中的应用

谢 红 张华志 夏金凤

（1.武汉工业学院电气与电子工程学院，430024，武汉；2.中铁第四勘察设计研究院集团有限公司，430063，武汉；3.南车集团株洲电力机车有限公司，412001，株洲∥第一作者，讲师）

目前我国已开通和新建的城市轨道交通（以下简称“城轨”）中采用的配电变压器多为SCB9、SCB10系列。与SCB7系列相比，SCB9系列空载损耗下降了8%～15%，负载损耗降低约23%；而SCB10系列则在SCB9系列的基础上空载损耗进一步降低10%左右，负载损耗降低约5%。随着国家节能减排政策的推行，尤其是2012年初国家发改委公布了《电网企业实施电力需求侧管理目标责任考核方案（试行）》，将电力电量节约指标完成情况和电力需求侧管理工作开展情况纳入电网公司年度考核指标，这些变压器产品的能耗指标已难以满足要求。

1 非晶合金变压器简介

传统电力变压器的铁心制造技术是以硅钢片为基本材料。优质硅钢片可以降低变压器自身损耗，提高电能的转换能力。随着原材料工业的技术发展，厂家开始采用非晶合金材料为铁心制造变压器。与冷轧硅钢片相比，非晶合金材料具有许多独特性能：具有延展性的非晶结构，是一种各向同性的软磁材料，磁化功率小；厚度极薄，只有0.03 mm；填充系数低，只有0.75～0.8；电阻率高，是硅钢片的3～6倍；涡流损耗大大降低，单位损耗仅为硅钢片的20%～30%。

采用非晶合金材料组装而成的变压器铁心由非晶合金带材卷制而成，为矩形截面、四框五柱结构，空载损耗比传统的变压器降低很多。此外，非晶合金变压器采用全密封式结构，可延缓变压器绝缘纸的老化，不仅结构紧凑，而且具有运行效率高、免维护、运行性能稳定等优点。

目前国家电网及南方电网已经开始全面部署更换其中的SCB7、SCB9等高耗能型变压器。这将使非晶合金变压器这种新型节能变压器在公用电网中的应用得到飞速的发展。

2 非晶合金变压器在城轨中的应用

2.1 技术性能对比

2.1.1 变压器空载损耗

非晶合金变压器的铁心是由熔融状态下的合金冷却后制成，由于其特殊的导磁性能，比传统的硅钢变压器空载损耗大大减少。据有关标准，将这两种变压器的空载损耗对比列于表1［4，9］。

据表1数据计算可得，采用非晶合金材料制造的变压器其空载损耗仅为SCB 10系列变压器的36%左右，是SCB9系列变压器的28%。

表1 SCBH 15（非晶合金）与SCB 10、SCB 9系列变压器空载损耗

城轨用电设备负荷特性与一般工业与民用用电设备不同。通风与空调系统、电扶梯系统及照明负荷，是城轨配电变压器的主要负荷，设备运行模式非常复杂。在选择变压器容量时，除须满足正常运行负荷外，还须考虑一台变压器故障或检修时，另一台变压器可以满足一、二级负荷的供电要求。变压器正常运行时，负荷率较低，尤其夜间停运时，负荷率更低。变压器的运行损耗包括空载损耗和负载损耗。空载损耗不变，负载损耗与负荷率成正比。低负载率时，空载损耗是变压器的主要损耗。因此，采用空载损耗低的非晶合金变压器对于城市轨道交通的节能效果十分明显。

2.1.2 变压器效率

变压器的效率是指变压器输出功率P2和输入功率P1的百分比，用η表示。

式中：

P0——空载损耗；

PK——负载损耗；

K——年平均负载系数。

以城市轨道交通中常用的容量为1 000 kVA的变压器为例，将表1中SCBH15非晶合金变压器和SCB10硅钢变压器性能参数代入式（1），可计算出不同负荷率下的η（见表2）。

表2 SCBH 15与SCB 10变压器效率%

由表2可见，非晶合金变压器的效率要高于传统的硅钢变压器。城轨配电变压器正常运行时的负荷率一般为0.2～0.3，此时非晶合金变压器效率要比传统的硅钢变压器高约0.5个百分点。

2.2 经济效益分析

2.2.1 变压器总拥有费用

当前国内用户在采购变压器时，一般偏重合同价格，而对变压器使用寿命期内空载损耗的等效初始费用及负载损耗的等效初始费用不太关心。国外采购变压器时一般采用的“总拥有费用”（Total Owning Cost，简为TOC）法，是指变压器初始投资及在其运行使用期间空载损耗及负载损耗的等效初始费用的总和。该方法实质是选择总拥有费用值最小的技术方案作为最佳经济方案的分析方法。采用总拥有费用来分析比较不同配电变压器的能效经济水平是目前国际上比较通用的方法。在采用TOC法的同时，国外用户对不讲信誉弄虚作假的厂家有一整套严厉的处罚措施，以此保证厂家所报资料的真实性。

我国电力行业标准DL／T985—2005《配电变压器能效技术经济评价导则》中，已推荐采用TOC计算配电变压器综合效能费用。

2.2.2 基于TOC的经济效益分析

《配电变压器能效技术经济评价导则》推荐的综合效能费用计算见式（2）。

式中：

CTO——配电变压器的综合能效费用，元；

CI——配电变压器设备初始费用，元；

P0——变压器额定空载损耗，W；

Pk——变压器额定负载损耗，W；

A——单位空载损耗的等效初始费用，元／kW；

B——单位负载损耗的等效初始费用，元／kW。

对于工业商业企业配电变压器的A、B系数计算公式见式（3）～（6）。

式中：

Kpv——现值系数；

Ee——单位电量电费，元／kWh；

Ec——单位容量电费，元／（kW·月）；

Hpy——变压器年带电小时数；

n——变压器的经济使用期年数；

i——年贴现率。

式中：

PL——n期间的年负载等效系数；

τ——年最大负载损耗小时数；

kt——变压器的温度校正系数；

β0——变压器的初始负载系数，标幺值；

g——变压器最大负荷年均增长率（预测值）。

当g＝0（即认为经济使用期内负载不变）时，P2L＝Kpv×β20。据文献［2］给出经验公式

式中：

β——变压器负载系数，取值范围为0～1；

τ——对应于β的小时数；

按照上述式（3）～（7），年贴现率i取7%，变压器寿命取30年，kt取1.145，Ee取0.68元／kWh，Ec取22.5元／（kW·月），τ取8 760 h；参见文献［2］广州地铁运营负载曲线仍以城市轨道交通常用的1 000 kVA配电变压器为例，将上述系数及SCBH15、SCB10的空载损耗、负载损耗及设备初始费用（市场参考价SCBH15为22万元／台，SCB 10为17万元／台）代入式（2），可得综合效能费用SCBH15为296 967元，SCB10为346 770元。可见在全寿命周期内，每台非晶合金变压器的综合效能费用可比SCB10硅钢变压器约节约5万元。地铁设计常规供电一般每20 km约需动力变压器40台。以北京地铁6号线为例，全长30.4 km，采用SCBH15相较SCB10的综合效能费用可节约300万元，经济效益非常可观。

3 结语

我国自1986年由上海变压器厂自主研制了30 kVA的非晶合金变压器，并进入实用阶段。目前国内的置信电气、中电电气、顺特电气、江苏华鹏、特变电工、天威保变等多家变压器制造厂商均已掌握了非晶合金变压器的生产技术。这为高效节能的非晶变压器逐步推广应用提供了强有力的技术支持。目前，我国已建轨道交通项目中还没有采用非晶变压器。随着国家对“能耗／GDP”节能指标的推行，现今北京地铁在建项目已开始采购10 kV非金合金变压器，上海申通地铁集团技术中心与上海沪光变压器有限公司共同承担的《35 kV干式非晶合金环氧浇注变压器研制及应用研究》课题也已通过了专家验收，样机已于2011年4月在上海轨道交通11号线挂网运行，运行情况良好，与传统的SCB10型变压器相比节能效果显著。综上所述，非晶合金变压器在城市轨道交通应用中具有广阔的发展潜力。

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