电气设计中变压器绿色选型问题的探讨

邵 頲, 刘长英

(1.上海华建工程建设咨询有限公司, 上海 200041;2.海鸿电气有限公司, 广东 江门 529339)

0 引 言

变压器作为电气设计中主要的电气设备,在绿色建筑的设计中,其能效、噪声、损耗等绿色性能指标,对绿色建筑星级评价节能指标的意义重大。特别是绿色发展作为《中国制造2025》全面推进实施制造强国的基本方针之一,把可持续发展作为建设制造强国的重要着力点,加强节能环保技术、工艺、装备推广应用,构建绿色制造体系,走生态文明的发展道路,已经成为各方共识。变压器作为电网中能量损耗的主要一环,其效率提升可节约大量能源,也是实行电气绿色设计、绿色选型的主要技术装备,大力推广应用绿色节能技术及绿色变压器,对我国节能环保、低碳发展以及双碳行动目标的实现十分重要。

1 电气绿色设计和绿色选型理念

即将完成的上海市绿建协会团体标准《民用建筑电气绿色设计与应用规范》[1](简称“绿建应用规范”),目前已进入报批阶段。绿建应用规范首次在规范体系中提出了“电气绿色设计”和“电气绿色设计产品”的术语概念。这与工信部一直在推广发展更新的“生态设计产品”理念相一致,其官网中每年也在不断地扩充绿色设计产品的清单范围,已批准实施的GB/T 34664—2017《电子电气产品生态设计评价通则》为电气行业相关产品指明了生产制造的方向,也为绿色建筑项目中的设计选型提供了新的设计依据。绿建应用规范中的电气绿色设计产品,是指按照全寿命周期理念,在设计开发阶段系统考虑原材料获取、生产制造、包装运输、使用维护和回收处理等各个环节对资源环境造成的影响,力求产品在全寿命周期中最大限度降低资源消耗、尽可能少用或不用含有有害物质的原材料,减少污染物产生和排放,从而实现环境保护的电气产品。设计选型中考虑产品全寿命周期的绿色性能指标,是今后应提倡的新理念思路,做到这一点才能更好地贯彻落实“碳达峰”、“碳中和”的行动目标。

2 变压器绿色性能指标

配电变压器是配电网中能量损耗占比较大的设备,其效率提升可节约大量能源。根据调研,全国三级能效及三级能效以下的变压器为1 100万台左右,使用时间长、铁损高、噪声大,部分已对环境造成污染。降低变压器的能耗对于整个电力系统的节能具有重要意义。

变压器绿色性能应贯穿于材料选用、制造、工艺、使用和回收等全生命周期,各阶段均应考虑绿色制造的理念,并控制好如下主要性能指标和目标。

(1) 资源利用率高(节材,即节省硅钢片、铜等资源用量)。

(2) 能源消费低(节能低碳,空、负载损耗满足GB 20052—2020《电力变压器能效限定值及能效等级》[2]能效标准中2级及以上水平)。

(3) 对生态环境无害或危害极少(环保,即绝缘材料选用阻燃型,可燃物含量低;生产过程避免或尽可能减少与环保要求不符的工序;运行过程低噪声、低辐射等)。

(4) 材料利用率高或可最大限度被再利用。

(5) 回收处理过程中废弃物、有毒有害气体排放少,回收过程能源消耗少。

3 变压器能效标准的要求

新发布的强制性国家标准GB 20052—2020《电力变压器能效限定值及能效等级》已于2021年6月1日起正式实施。该标准与原有标准2013版相比,能效水平显著提升,已优于欧盟、日本、美国相关标准要求。民用建筑中,干式变压器新旧国标型号损耗对比如表1所示。

表1 干式变压器新旧国标型号损耗对比

新国标空载损耗值与欧盟标准对比如图1所示。

新国标负载损耗值与欧盟标准对比如图2所示。

为了推动变压器新能标的应用,国家工信部、市场监管总局、能源局等联合发布了《变压器能效提升计划(2021—2023)》[3],加快高效节能变压器(如立体卷铁心、非晶合金、硅橡胶等)推广应用,提升能源资源利用效率,推动绿色低碳和高质量发展。文件中特别提出,加强如立体卷铁心结构等高效节能变压器结构设计与加工工艺技术创新,提高变压器数字化、智能化、绿色化水平。

根据工信部能效提升计划数据,我国挂网运行变压器1 530万台,容量48亿kVA。我国配电变压器型号分布如表2所示。

表2 我国配电变压器型号分布

配电变压器新能效等级标准的提升,将减小变压器能耗,提升整个系统的效率。以上述数据为基准,将S13及以下能效等级的配电变压器升级为新能效等级的配电变压器,将会大大促进输配电系统的节能减排。新能标变压器应用后的经济及环境效益如表3所示。

表3 新能标变压器应用后的经济及环境效益

4 新技术变压器产品性能及适用特点

目前变压器新技术产品,除了非晶合金变压器外,还有立体卷变压器、硅橡胶变压器、环保型绝缘油变压器等。本文以市场上较为成熟应用的立体卷干式变压器为例,说明该类变压器的产品性能及适用特点[4-5]。

4.1 制造工艺特点

立体卷铁心的每个单框由经开料机曲线剪切开料形成的若干根硅钢带薄片连续卷绕而成,卷绕后每个单框横截面接近半圆形,整装拼合后的横截面接近整圆,空间利用率高。不同于传统的平面叠铁心是由纵剪生产线和横剪生产线,将硅钢带加工成一定形状的硅钢片,再将硅钢片按阶梯型横截面方式叠成。传统叠铁心和环氧浇注变压器如图3所示。立体卷铁心和干式变压器如图4所示。

4.2 产品结构对称性

立体卷铁心磁路中没有接缝,三相磁路长度相等、对称,并且都是最短的,因此磁阻大大降低,心柱的横截面填充系数高,接近圆形,更具备节省材料、损耗低、噪声低、环保系数高、三相平衡等诸多优点。立体卷铁心磁路示意图如图5所示。

(1) 空载性能提高明显,立体卷铁心变压器空载损耗比传统叠铁心变压器空载损耗理论上偏低30%～40%。

(2) 噪声降低明显,符合环保要求。以200 kVA为例,经权威部门检测,立体三角形卷铁心变压器样机只有33.6 dB,平面叠铁心变压器样机为51 dB,而国标要求为54 dB。

(3) AC相、AB相、BC相磁路等长且最短布置,实现了三相磁路的完全对称,保证三相电压平衡。

(4) 空载电流低。在电网系统运行中降低运行网络的损耗,增大电网功率因数,提升电力系统设备的利用率,以及节省无功补偿的投入。

(5) 立体卷铁心截面近似于圆形,而叠铁心截面只能是阶梯形,因此其空间填充系数比叠铁心高4%～6%。

(6) 立体卷铁心硅钢片利用率约为100%;叠铁心硅钢片经过裁剪后利用率约为95%。

(7) 生产机械化程度高,不需要叠铁心的横剪、人工叠片、拆插铁轭等手工操作,减少5～6道工序,质量易控制。

4.3 绝缘系统特点

干式变压器的绝缘系统主要有环氧树脂和杜邦NOMEX纸两种,即SCB型和SGB型。近年来随着国家对绿色制造、节能环保的关注度日益增多,NOMEX纸及环保浸渍漆绝缘系统的SGB型变压器应用比例也在日趋增多。立体卷变压器线圈主绝缘采用NOMEX纸和环保绝缘漆,均属于R(C)级绝缘,通过UL认证,电气、机械性能优异,且属于高阻燃、环保型绝缘材料,防潮性能好,回收方便,可自然降解,对环境无任何危害。同时可燃材料用量仅为环氧树脂浇注干式变压器的1/8,可有效减少因火灾造成的事故损失。

4.4 经济性特点

相同主材成本下SGB-RL型与SCB型、SCBH型干式变压器性能比较如表4所示。

表4 相同主材成本下SGB-RL型与SCB型、SCBH型干式变压器性能比较

由表4可知,相同主材成本情况下:相对于SCB型叠铁心变压器,SGB-RL型敞开式立体卷铁心干式变压器运行更具有经济性,且噪声、重量、体积显著降低,同时可回收率高;相对于SCBH型非晶合金变压器,SGB-RL型敞开式立体卷铁心干式变压器运行成本略高2%,而噪声、重量、体积显著降低,且可回收率高。

立体卷铁心与常规叠铁心变压器对比,电磁场性能上,具有空载损耗(电流)低、负载损耗低、周边电场/磁场强度小、温度场分布均匀、三相磁路平衡、抗短路能力强等特点;资源节约上,具有铜材用料少、硅钢材料节省明显等优点;运行维护上,具有年运行成本低、电费少等特点;运行环境上,具有可靠性好、噪声低等特点;可持续发展上,具有运行寿命长、环保可回收等优势,因此是一款具备绿色产品性能的新技术产品。国网设备部“关于印发立体卷铁心变压器、避雷器、全绝缘熔断器标准化设计工作研讨会议纪要”的通知中要求:2021年6月起,各省电力公司应按立体卷铁心变压器、硅钢叠铁心变压器标准化产品各占 50%的比例采购高效节能变压器,把立体卷铁心变压器在国网招标量中的占比由原来的20%提高到50%。

5 变压器绿色选型设计注意要点

绿色技术的发展使民用建筑内干式变压器的选择又多了一种新技术产品。项目设计中,电气设计人员在完成电力负荷计算及变压器容量确定后,除了常规的电气性能参数上进行比较外,应更关注绿色建筑方面体现绿色性能指标的一些参数，如能效、噪声、重量、环保可回收等要素。

绿建应用规范中,在对变压器容量采用综合能效费用法(TOC)比选之外,绿色选型方面,着重提出了以下的规定要求:

(1) 满足节能产品认证规则及电子电气产品生态设计评价通则的要求。

(2) 满足新的能效限定值及能效等级要求,并建议在绿色建筑星级评价上,二星、三星级评价标识项目宜满足能效1级;一星级评价标识项目不低于能效2级。

(3) 规定了负载能力要求高的场所，建议采用H级及以上的要求,以及提出对工艺环保、可回收的要求。

(4) 提出了噪声控制的要求。

(5) 提出对设计选型型号标注的要求。

在设计选型标注上,可按照绿建应用规范附录E中的要求,这也是参照JB/T 3837—2016《变压器类产品型号编制方法》[6]的规定,在标注型号后加注能效等级后缀“-NX1”或“-NX2”,更能明确设计要求。因为对于同样的能效标准值,电工钢带和非晶合金类变压器的序列号有所不同,也容易混淆。

基于行业总体技术发展水平考虑,同时结合能效标准、能效提升计划、绿色制造和绿色设计等多方面综合分析,变压器绿色选型需重点关注制造过程节材、环保,使用阶段安全、节能、可回收等方面。

6 结 语

十四五期间,国家将继续坚持绿色、可持续的发展之路,为“碳达峰”、“碳中和”的远景发展目标打下坚实的基础。在供配电设备领域,立体卷、硅橡胶、非晶合金等新一代绿色变压器产品,其环保、节能、安全可靠、绝缘等级高、防火性能好等特点均符合国家绿色制造、节能环保的政策要求及建筑行业绿色、节能和环保的发展理念,具有较好的推广价值。