新能效标准在核电站干式变压器的应用研究

李鑫 LI Xin；窦毅玮 DOU Yi-wei

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

“双碳经济”背景下，核电凭借能量密度高、占地规模小、环境友好、单机容量大、发电量稳定等优势，可大规模替代化石能源的电源，通过与风光水等清洁能源协同发展，对优化能源整体布局、保障能源供应安全具有重要意义。干式变压器具有可靠性高、防灾防爆、免维护等诸多优点，是核电站厂用电的重要电气设备，应用于核电站核岛、常规岛及BOP配电系统中，将厂用中压电转换为低压电为后续配电设备提供电源。干式变压器运行过程中产生的损耗将转换成能量消耗，其损耗值的大小将影响整个电站的能效。考虑到目前核电站的设计寿命都是按60年进行要求，而干式变压器一般不会进行更换，尤其是安全级干式变压器其鉴定寿命就是按60年进行要求，因此采用高能效产品，无论适应双碳经济的节能减排效应还是从电站的经济性来说都是具有突出意义的。

2020年5月29日发布，2021年6月1日实施的新国标GB 20052—2020电力变压器能效限定值及能效等级[1]（以下简称“新能效标准”）较大幅度的下调了各能效等级的干变损耗，同时，2020年12月22日，工业和信息化部办公厅、市场监管总局办公厅、国家能源局综合司三部委发布了《变压器能效提升计划（2021-2023年）》[2]（下文简称《提升计划》）对新能效标准配电变压器推广应用给出了总体发展规划。新能效标准的推出也为核电站干式变压器提供了新的选项，下面将就新能效干式变压器在核电站的应用前景进行探讨和分析。

1 以往核电项目中干变的能效参数选择

我国核电起步于秦山一期，当时核电站用干式配电变压器均以进口为主，在核电站中采用国产干变从巴基斯坦恰希玛一期、秦山二期开始，当时还没有推出GB 20052能效标准，损耗按常规干变系列（GB/T 10228）即可。在以M310堆型为基础的二代改进型堆型阶段，并未对变压器的能效提出特殊要求，以满足国标10系列为主。2015年开始，我国具有自主知识产权的华龙一号核电技术开始进入全面建设阶段，其后对核电站干式变压器的能效要求以SCB13-NX1为主，包括福清5、6号机组的常规岛等项目均要求1级能效，其中的例外是华龙出口首堆K2K3项目要求的SCB10系列，福清5、6号机组核岛要求的3级能效。从这个阶段开始，可以看出核电项目中开始重视能效水平的提升。

在2021年，新能效标准开始实施后，核电项目招标和执行进入了能效选择的新阶段，对比新能效标准干式变压器损耗值与2013版能效标准如表1和表2所示。（注：能效产品损耗值不允许正偏差）

通过表1和表2可以看出，新2级能效（SCB14）和新1级能效（SCB18）与老版2013版1级能效（SCB13）负载损耗相同，但空载损耗分别下降5%和20%，老1级能效产品只能列入新版3级能效。

表1 10kV电工钢干式变压器的主要技术变化（GB20052—2020与GB 20052—2013对比）

表2 核电站典型容量（800kVA）干式变压器参数对比

在新能效标准实施后，新推出执行和招标的项目均逐步开始向新能效标准靠齐，如昌江二期、三门二期等项目中均要求采用新2级能效，但尚无项目招标要求采用新1级能效产品。

2 新能效干变的核电适用性和经济性分析

能效的提升，将同时带来材料用量以及成本的增加，而对于可靠性要求最高的核电站而言，还需同时兼顾为了降低损耗采取的改变对产品可靠性的影响分析。此外，核电项目投资较大，因此设备采购成本以及运行经济性也是需要考虑的。

2.1 降低空载损耗的措施分析

由于新能效之前的SCB13与新2级能效和1级能效产品的负载损耗要求相同，所以对于新能效推广使用，首先要分析降低空载损耗的措施，及其对可靠性以及成本的影响。相关措施分析如下：

2.1.1 采用更好性能的高牌号硅钢片

随着硅钢片材料技术的快速发展，采用高牌号硅钢片是最为直接的降低空载损耗的办法。当前所采用的老版SCB13-NX1通常采用85牌号的硅钢片即可满足损耗要求，而目前国内宝武集团已具备单位铁损0.65W/kg的65牌号硅钢片的生产能力，若采用高牌号硅钢片，如采用75或者70硅钢片替换原85硅钢片，即可实现新2级能效产品。若要进一步实现新1级能效，则还需配合增大铁心截面以降低铁心磁密等其它措施。采用高牌号硅钢片或者增加截面，其对于产品可靠性不会有太大影响，但目前高牌号硅钢片市场产能有限，供不应求，材料价格居高不下，所以这两种方式均将带来成本的巨大增加。

2.1.2 将圆形结构改为长圆或椭圆结构

圆形和长圆形变压器的铁心和线圈截面如图1所示，通过将铁心和线圈改为长圆形或椭圆形结构，可以有效缩短变压器中心距（Mo），减少铁轭长度和重量，降低铁心材料使用。而在磁密和铁心牌号不变的情况下，变压器空载损耗与铁心重量成正比，所以采用长圆形或椭圆形结构可以有效降低铁心材料用量，并降低空载损耗。

图1 圆形截面和长圆形截面的变压器布置图

但若采用了长圆形或椭圆形铁心结构，则对应的线圈也将是长圆形或椭圆形，其对可靠性影响主要存在两方面：①长圆或椭圆其结构不如圆形规整，在承受短路能力方面的可靠性远不如圆形结构；②长圆形或椭圆形结构在绕制工艺的成熟性上略差，其长轴方向由于受力不均，容易出现局部绕制不紧的情况，这对可靠性方面也存在一定的影响。因此，对于与核安全有关的安全级干式变压器，不推荐采用长圆形结构，而对于可靠性要求没有那么高的常规岛及BOP干式变压器，从性价比的角度，可以在能效产品上适当的推广长圆或椭圆形结构的干式变压器。

2.2 新能效干变经济性分析

综合能效费用法（又称总拥有费用法，TOC Method，Total Owning Cost Method）是DL/T 985配电变压器能效技术经济评价导则[3]为配电变压器的经济性提供了评价方法，其中给出了通用的TOC值的计算公式如下（对于电厂这里不考虑无功经济当量的影响）：

式中：CI——设备初始费用；

A——变压器空载损耗等效初始费用系数，元/kW；

B——变压器负载损耗等效初始费用系数，元/kW；

P0——变压器空载损耗，kW；

Pk——变压器负载损耗，kW。

下面将采用该方法对老1级能效、新2级能效、新1级能效进行经济性分析。由于这三者之间负载损耗标准值要求相同，从公式（1）可以看出，三者之间经济效益主要差别在于初始投资CI和空载损耗之间。而对于空载损耗等效初始费用系数A按式（2）进行计算：

式中：i——年贴现率[4]，取0.05；

n——配电变压器经济使用期年数；

Ees——平均单位电价，考虑到目前各核电项目上网电价并不完全一致，这里简单的取大致平均值0.4元/kWh；

Hpy——年带电小时数，取8760h。

对于核电项目，这里n分别取30年和60年，计算得到A30=53865元/kW，A60=66328元/kW，由此，以800kVA核电站用干式变压器为研究对象，以老1级能效（SCB13）为基准，进行经济性比较如表3所示。

从表3可以看出，由于目前变压器主材中铜和高牌号硅钢片单价处于高位，所以采用较优能效产品时，设备单价较为昂贵，且核电上网电价并不高，因此从经济性角度来看，对于核电站用干式变压器，考虑贴现率为0.05时，只有采用长圆结构的新2级能效较目前选用的老1级能效更为经济。而对于核电产品还需要兼顾设备的可靠性，对于安全级干式变压器尽量采用可靠性更高的圆形结构，因此，综合考虑对国家节能政策的符合性以及设备投资的经济性角度来看，采用新2级能效是目前情况下的最优选择。

表3 老1级能效（SCB13）、新2级能效（SCB14）、新1级能效（SCB18）经济性比较

2.3 非晶合金干式变压器的适用性分析

除了硅钢片（电工钢）干式变压器外，GB 20052—2020还给出了非晶合金干式变压器的1～3级能效标准，其负载损耗与电工钢对应能效等级标准相同，而由于其采用了新型更加节能的非晶合金铁心，所以空载损耗则比同等级的硅钢干式变压器进一步下降60%，节能效果更加突出。但由于非晶合金带材自身的应力敏感性以及其饱和磁密较低，所以非晶合金干变铁心设计磁密低，铁心截面大，重量中，成本也更高，并且其在核电领域尚未有过应用经验，因此在当前情况下，其经济性和可靠性还有待更进一步的研究，在条件许可下可以寻求在BOP厂房或常规岛厂房进行挂网试运行以验证其适用性。

3 新能效应用对安全级干式变压器的鉴定影响分析

核电站安全级干式变压器其为核岛安全级设备提供电源，其可靠性直接影响到电站事故情况下的安全功能，需通过设备鉴定以验证其事故情况下执行其安全功能的能力，安全级干式变压器推荐的鉴定程序[5]如图2所示。

图2 安全级干式变压器推荐的鉴定程序（抗震和承受短路能力试验顺序不分先后）

针对老1级能效的1000kVA和2500kVA产品已有国内厂家通过安全级鉴定，可以覆盖国内相关核电堆型的安全级干式变压器。

在新能效推出后，也将在安全级干式变压器中得到推广应用，需要进行补充鉴定。考虑到老1级能效、新2级能效、新1级能效其主要区别在于空载损耗，其所采用的绝缘材料、绝缘结构以及绝缘水平要求均可保持一致，由此可以判断其绝缘结构耐热性评定以及整机等效加速热老化试验均可通过分析法进行判定。为了满足空载损耗差异可采取的措施在本文第2.1节中进行论述，若仅是采用更低单位铁损的硅钢片材料，那么由于各牌号硅钢片在物理性能上，如密度、硬度等方面的差异基本可忽略，所以，在铁心整体重量、结构没有明显变化的情况下，可认为原抗震鉴定也可满足新能效的要求。

通过上述分析可以看出，基于老1级能效产品已完成了全套鉴定试验，仅通过替换高牌号硅钢片的可以满足新2级能效干变的要求，这种方式下，原老1级能效设备鉴定结论可以推广到新2级能效设备，但是对于新1级能效，由于空载损耗下降太多，不改变铁心和线圈结构的前提下无法满足其对空载损耗的要求，所以对于新1级能效干变设备在保持原鉴定设备绝缘结构的前提下，还需要补充新的型式试验和抗震鉴定。

4 结束语

本文针对新能效标准推出实施后，其对核电站干式变压器选择的影响进行了分析，主要探讨了新能效干变的技术实现路线、运用TOC法进行经济性分析评价、并针对安全级设备的鉴定适用性进行了探讨。

从设备的成熟性、可靠性以及经济性的角度而言，目前情况下，采用新2级能效其之前项目中所采用的老1级能效空载损耗下降5%，负载损耗相同，其变化最小，成本和综合能效费用（TOC）也较为经济，若在可靠性要求相对较低的常规岛及BOP厂房中采用长圆形干式变压器，较现行的老1级能效圆形干式变压器并不会造成成本的增加。对于可靠性要求高，需要通过安全级鉴定的核岛安全级干式变压器而言，若采用新2级能效则仅需通过简单调整铁心硅钢片牌号及结构即可实现，而考虑到铁心材料不具有老化机理，所以可以采用分析法或者补充联合抗震试验的组合法即可满足鉴定程序要求，这样可以在最小的改动下兼顾设备的可靠性、经济性以及安全级鉴定要求，所以，采用新2级能效是目前新能效标准实施后较为合理的选择方案。