新能效标准在核电站干式变压器的应用解析

张灿辉

（海南金盘智能科技股份有限公司）

0 引言

在低碳经济发展背景下，核电具有较高的能量密度，而且占地面积比较小，单机容量比较大，可以保障发电的稳定性，因此可以利用核电代替化石能源，通过协同发展风光水等清洁能源，有利于提高能源布局的合理性，同时可以保障能源供应过程的安全性。干式变压器具有较高的可靠性，同时可以发挥出防灾防爆和免维护等优势，因此在核电站用电中广泛应用，可以转化核电站中压电为低压电，为配电设备提供电源支持。干式变压器在实际运行过程中可以转换损耗为能量消耗，而实际损耗值直接关系到整体电站能效。因为核电站设计寿命通常是60年，而且一般情况下不会更换干式变压器，因此变压器鉴定寿命也是60年，需要选用高效能产品，可以满足节能减排的需求，同时可以保障核电站发展的经济性。

2021年实施的新能效标准对于大幅度的下调各能效等级干变损耗，同时发布的《变压器能效提升计划（2021-2023）》针对新能效标准配电变压器推广应用提出发展规划。通过推出新能效标准，可以为核电站干式变压器提供发展机遇。

1 干式变压器的概念和结构特征

（1）干式变压器的概念

干式变压器的铁心和绕组不会浸泡在油脂中，而冷却介质是空气。在冷却过程中，主要是利用自然冷却和主动控制方式。在自然冷却过程中，可以在标准容量中实现长期运行。在主动控制冷却阶段，可以增强输出容量在50%以上，可以在断续高功能状态中利用这一模式。在高负荷模式背景下，可以大幅度提高负载损耗和阻抗电压，不利于保障经济效益，因此干式变压器不能长期处于连续高负荷运行状态中[1]。

（2）干式变压器使用特点

①在使用干式变压器的过程中，具有很强的抗短路能力，同时保养维护工作量比较少，具有较高的运行效率，而且在日常运行中不会产生较大的噪声，安装部位要严格要求防火和防爆。②在长期使用过程中，干式变压器具有良好的安全性和防火能力，不会污染周围环境，而且可以在负荷中心中使用。经过优化改良，国产干式变压器具有先进性优势，而且具有显著的机械强度和抗短路能力，整体使用寿命也优于其他类型的变压器。③在使用干式变压器的过程中不会产生较大的能耗，而且噪声比较小，并且可以发挥出显著的节能效果，还可以提高后续维护工作的便利性。④对比其他变压器，干式变压器具有显著的散热能力和超负荷运行能力，利用空气冷却方式，可以显著提高运行容量。⑤对比其他类型的变压器，干式变压器具备防潮能力，因此可以应用于潮湿等恶劣环境。⑥可以设置气温测量和设备防护机制。可以利用智能化信息气温控制设备，自动化启动和关闭风机，同时可以发挥出报警和跳闸功能。⑦对比其他类型的变压器。干式变压器具有较低的重量，体积也比较小，因此降低了整体维修费用。此外针对干式变压器，铁心利用优质冷轧晶粒取向硅钢片，硅钢利用45°接缝设计方式，可以顺着接缝线路通过磁通线。

2 以往核电项目中干变的能效参数选择

原来我国核电站利用的干式配电变压器主要是依靠进口，因为没有推出新能耗标准，损耗主要是利用常规干变系列。在二代改进型堆型阶段，并没有针对变压器能效提出特殊要求，满足国标10系列即可。在2015年我国开始进入东安全面建设时期，针对核电站干式变压器能效要求为SCB13-NX1，要求项目符合1级能效。可以确定核电项目注重提高能效水平[3]。

2021我国开始实施新能效标准，我国核电项目也开始进入到新阶段，其中新2级能效和新1级能效空载损耗都有所降低，而老1级能耗产品只能列入到新版3级能效。实施新能效标准之后，新推出的项目要符合新能效标准。

3 新能效干变的核电适用性和经济性

提高能效之后将会增加材料用量和成本，为了保障核电站运行的可靠性，注意不能因为降低损耗而影响到产品可靠性。此外核电项目投资数量比较大，因此需要考虑设备采购成本和运行经济性[4]。

3.1 降低空载损耗的措施

（1）利用性能较好的高牌号硅钢片

近些年我国不断发展硅钢片材料技术，通过利用高牌号硅钢片有利于降低空载损耗。利用高牌号硅钢片，例如选用75或者70硅钢片替换原来的85硅钢片，可以生产新2级能效产品。为了实现新1级能效，需要合理增大铁心截面，或者是降低铁心磁密。利用高牌号硅钢片，或者增加截面之后，不仅降低产品可靠性，再加上当前我国高牌号硅钢片的产能有限，处于供不应求的状态，而且材料价格非常高，还会增加成本。

（2）改变圆形结构为长圆或者椭圆结构

改变铁心和线圈为长圆形或者椭圆形，有利于减少变压器中心距，同时可以减少铁轭长度，因此节省铁心材料。固定磁密和铁心牌号之后，变压器空载损耗和铁心重量之间呈现出正比的关系，而利用长圆形结构和椭圆形结构有利于节省铁心材料用量，同时可以降低整体空载损耗[5]。

如果选择长圆形或者椭圆形的铁心结构，将会影响到可靠性，例如对比圆形，长圆和椭圆结构缺乏规整性，同时承受短路能力缺乏可靠性。再如长圆形和椭圆形结构绕制工艺不够成熟，因为受力不均匀，在长轴方向很容易产生局部绕制不紧的情况，将会影响到可靠性。因此针对安全级干式变压器不能选用长圆形结构，如果干式变压器不够重视可靠性要求，可以选择长圆或者椭圆形结构。

3.2 新能效干变经济性

当前变压器主材中铜和高牌号硅钢片成本较高，在选择优质能效产品的过程中，因为设备单价较高，而且核电上网电价较低，为了实现经济性目标，核电站干式变压器的贴现率为0.05，需要利用长圆结构的新2级能效。同时需要保障核电产品设备的可靠性，针对安全级干式变压器要选用圆形结构，因此需要结合国家节能政策，推广利用新2级能效[6]。

3.3 非晶合金干式变压器的适用性

非晶合金干式变压器具有1~3级的能效标准，负载损耗和电工钢能效等级标准具有一致性，由于利用了非晶合金铁心，因此空载损耗显著降低，突出了节能效果。但是非晶合金带材缺乏应力敏感性，同时饱和磁密比较低，增加了工作成本，并且在核电领域缺乏使用经验，因此需要进一步研究经济性和可靠性，如果条件允许，可以在常规岛厂房开展挂网试运行，验证非晶合金干式变压器的适用性。

4 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可以为核岛安全级设备提供电源，而干式变压器的可靠性直接关系到电站运行的安全性，因此需要开展设备鉴定，确定事故情况下干式变压器的安全功能。下图是安全级干式变压器鉴定程序。

图 安全级干式变压器鉴定程序图

针对老1级能效产品已经经过安全鉴定，可以覆盖核电堆型的安全级干式变压器。近些年在安全级干式变压器中推广利用新能效标准之后，需要补充鉴定程序。针对老1级能效和新2级能效之间的区别主要是针对空载能耗，可以统一绝缘结构以及绝缘水平，因此可以利用分析法判断绝缘结构耐热性和整机等效加速热老化试验。为了控制空载损耗差异，如果利用降低单位铁损的硅钢片材料，可以忽略各牌号硅钢片密度和硬度等物理性能的差异，因此没有改变铁心重量和结构之后，利用原抗震鉴定即可满足新能效标准需求[7]。

因为老1级能效产品已经完成全套鉴定试验，只需更换高牌号硅钢片即可实现新2级能效干变需求，在这一背景下可以在新2级能效设备推广老1级能效设备鉴定结论，但是空载损耗显著降低，如果没有改变铁心和线圈结构无法满足空载损耗需求，因此应该以原鉴定设备绝缘结构为基础，需要合理补充新型试验和抗震鉴定。

5 结束语

本文分析实施新能效标准之后，对于核电站干式变压器选择的影响，分析新能效干变技术实现路线，并且利用TOC法开展经济性分析评价，此外还探讨了安全级设备的鉴定适用性。以设备成熟性和可靠性以及经济性为基础，当前利用新2级能效有利于降低空载损耗，而且负载损耗是相同的，综合成本和综合能效费用具有经济性优势，如果在常规岛和厂房中利用长圆形干式变压器，对比老1级能效圆形干式变压器，并不会增加工作成本。而核岛安全级干式变压器更加注重可靠性，可以利用新2级能效，通过调整铁心硅钢片牌号和结构即可满足要求，因为铁心材料并没有老化机理，因此可以利用分析法，或者可以补充联合抗震试验组合法，满足鉴定需求，这样可以保障设备的可靠性和经济性，同时可以满足安全级鉴定需求，因此当前利用新2级能效，可以满足新能效标准实施之后的需求，这是一种科学的方案。