李 燁,趙厚欽
(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233;2.上海浩晟網(wǎng)絡(luò)科技有限公司,上海 200041)
第三代核電某核電機(jī)組具有一個(gè)主泵(反應(yīng)堆冷卻劑泵,簡(jiǎn)稱主泵)專用三相雙繞組變壓器。該變壓器額定容量16 MVA,額定電壓10/6.3(7.2) kV,二次側(cè)電壓根據(jù)主泵額定電壓確定,其技術(shù)規(guī)范書(shū)中要求“變壓器損耗限值參考《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》(GB/T 10228-2015)”;但在GB/T 10228-2015中,對(duì)于10.5 kV/6.9 kV干式變壓器適用的容量最大只到6300 kVA,不適用16 MVA變壓器。目前也未有相關(guān)變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)適用于16 MVA/10.5 kV/6.9 kV的變壓器。針對(duì)節(jié)能環(huán)保的大方向,采購(gòu)方與設(shè)計(jì)方最終商定,主泵專用變壓器參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)按照 1級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行損耗值推算,其推算結(jié)果作為供應(yīng)商設(shè)計(jì)變壓器能耗的最低要求。
在該核電機(jī)組中,主泵電壓為6 kV(屏蔽泵)或6.9 kV(濕繞組泵),頻率為50 Hz。變頻器在啟動(dòng)主泵階段投入使用,當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到50 Hz,主泵穩(wěn)定運(yùn)行后,將主泵的電源由變頻器輸出供電同步切換到廠用電電網(wǎng)旁路供電,因此需要主泵專用變壓器將中壓10.5 kV電源降至6 kV或者6.9 kV后向主泵供電。表1為主泵專用變壓器的技術(shù)參數(shù)。
表1 技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical parameter
變壓器能效等級(jí)分為3級(jí),1級(jí)能效最高,損耗最低。其中空載損耗和負(fù)載損耗是在規(guī)定測(cè)試條件下允許的最高限制。變壓器的損耗主要受變壓器工藝設(shè)計(jì)、變壓器生產(chǎn)設(shè)備、鐵芯材料三個(gè)方面的影響[4],并不是能效越低越好,需兼顧功能、環(huán)保與成本。
目前,關(guān)于干式變壓器能效的標(biāo)準(zhǔn)主要有:《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》(GB/T 10228-2015),對(duì)于10 kV電壓等級(jí)變壓器,額定容量適用范圍為30~2500 kVA,但35 kV電壓等級(jí)變壓器的適用容量范圍為800~25000 kVA;《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》(GB 20052-2013)也僅適用于10 kV電壓等級(jí),額定容量為30~2500 kVA的干式變壓器;中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《6 kV~35 kV變壓器能效限定值及能效等級(jí)》(T/CEEIA 258-2016)中,針對(duì)10 kV電壓等級(jí)電力變壓器適用容量范圍為630~6300 kVA。以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均不適用于16000 kVA/10.5 kV/6.9 kV變壓器能效的損耗要求。因此,依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1級(jí)能耗的合理推算是解決此問(wèn)題的一個(gè)思路。
下面結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB 20052-2013、GB/T 10228-2015和T/CEEIA 258-2016,通過(guò)三種推算方式計(jì)算出主泵專用變壓器1級(jí)能效的空載損耗和負(fù)載損耗值。
通過(guò)GB/T 10228和GB 20052兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能效參數(shù)對(duì)比,GB/T 10228中對(duì)應(yīng)不同電壓不同容量變壓器能效只出了一個(gè)等級(jí)的損耗值,且相當(dāng)于GB 20052中同電壓同容量變壓器的3級(jí)能效值。首先根據(jù)GB 20052折算出同容量變壓器1級(jí)能效與3級(jí)能效的比例關(guān)系,其次根據(jù)GB/T 10228中35 kV/16000 kVA電力變壓器損耗(3級(jí)能效),根據(jù)GB 20052的折算比例,折算出與主泵專用變壓器同容量 16000 kVA/10.5 V/6.9 V的1級(jí)能效值。
根據(jù)GB/T 10228同一容量可對(duì)應(yīng)幾個(gè)不同變比,此處忽略電壓等級(jí)問(wèn)題。
(1) GB 20052-2013給出了典型的配電變壓器能效等級(jí)損耗(見(jiàn)表2,額定容量適用于30~2500 kVA,此處僅列出額定容量為2000 kVA和2500 kVA)。
從表2可以看出,額定容量為2500 kVA,電工鋼帶型變壓器的能效如下。
表2 干式配電變壓器能效等級(jí)Table 2 Energy efficiency grade of dry-type distribution transformer
1級(jí)能效:對(duì)應(yīng)的空載損耗為2590 W,負(fù)載損耗(100℃)為14535 W。
3級(jí)能效:對(duì)應(yīng)的空載損耗為3600 W,負(fù)載損耗(100℃)為16150 W。
計(jì)算可知,1級(jí)能效空載損耗較3級(jí)能效空載損耗下降28%,負(fù)載損耗下降10%。
對(duì)于額定容量為2000 kVA的電工鋼帶型變壓器,空載損耗和負(fù)載損耗存在同樣的下降比例。由此推算,1級(jí)能效空載損耗限值較3級(jí)能效空載損耗限值近似線性關(guān)系;1級(jí)能效負(fù)載損耗限值較3級(jí)能效負(fù)載損耗限值也近似線性關(guān)系。
根據(jù)上述規(guī)律,推算16000 kVA變壓器的1級(jí)能效空載損耗較3級(jí)能效空載損耗下降28%,1級(jí)能效負(fù)載損耗較3級(jí)能效負(fù)載損耗下降10%。
(2) GB/T 10228-2015標(biāo)準(zhǔn)給出了6 kV、10 kV電壓等級(jí)的630~6300 kVA電力變壓器的損耗。但表3中只給出了6 kV/10 kV電壓等級(jí),最大容量6300 kVA的變壓器,而沒(méi)有16000 kVA容量的對(duì)應(yīng)值。
表3 6 kV/10 kV級(jí)630~6300 kVA無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器Table 3 630~6300 kV excitation-free voltage regulating power transformer of 6 kV/10 kV class
其中,在GB/T 10228-2015中給出了800~ 25000 kVA,35 kV/10 kV電力變壓器的損耗標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表4。
根據(jù)表4,35 kV級(jí)16000 kVA變壓器3級(jí)能效空載損耗為19.3 kW,負(fù)載損耗(100℃)為71.7 kW。結(jié)合上述折算比例,空載損耗和負(fù)載損耗如下。
表4 35 kV級(jí)800~25000 kVA無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器Table 4 800~25000 kVA excitation-free voltage regulating power transformer of 35 kV class
空載損耗:19.3×(1-0.28)=13.896≈13.90 kW
負(fù)載損耗(100℃):71.7×(1-0.1)=64.53 kW
以GB/T 10228-2015對(duì)應(yīng)6300 kVA 10~ 6.9 kV的3級(jí)能效損耗,根據(jù)公式推算16000 kVA 3級(jí)能效損耗,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) T/CEEIA 258-2016進(jìn)行能效1級(jí)折算。T/CEEIA 258-2016標(biāo)準(zhǔn)給出了對(duì)應(yīng)GB/T 10228-2015的1級(jí)能效的損耗水平。具體見(jiàn)表5、表6。
根據(jù)表5和表6,其基本原則是1級(jí)能效相較于3級(jí)能效,空載損耗下降20%,負(fù)載損耗(100℃)下降10%。
以GB/T 10228-2015對(duì)應(yīng)6300 kVA 10~ 6.9 kV的3級(jí)能效損耗,根據(jù)變壓器經(jīng)驗(yàn)公式推算16000 kVA 3級(jí)能效損耗,再按T/CEEIA 258-2016進(jìn)行能效1級(jí)折算,具體計(jì)算如下。
以GB/T 10228-2015對(duì)應(yīng)630~6300 kVA、10 kV/6.9 kV的3級(jí)能效損耗,根據(jù)乘冪擬合(y= axb+c)推算16000 kVA 3級(jí)能效損耗,再按T/CEEIA 258-2016進(jìn)行能效1級(jí)折算。
(1)利 用Matlab工 具 對(duì)630~6300 kVA 10kV/6.9kV的3級(jí)能效損耗進(jìn)行乘冪擬合,見(jiàn)表7。
空載損耗擬合曲線如下:y=0.01439x0.734-0.303負(fù)載損耗擬合曲線如下:y= 0.0498x0.7437-0.05986
圖1 Matlab工具下的空載損耗擬合曲線Fig.1 Fitting curve of no-load loss under MATLAB tool
圖2 Matlab工具下的負(fù)載損耗擬合曲線Fig.2 Fitting curve of load loss under MATLAB tool
(2)計(jì)算1級(jí)能效損耗:
空載損耗:(1-0.2)×(0.01439×160000.734-0.303)≈13.79 kW
負(fù)載損耗(100℃):(1-0.1)×(0.0498× 160000.7437-0.05986)≈59.94 kW
根據(jù)以上分析,可以得出幾種推算方案的損耗,見(jiàn)表8。
根據(jù)以上推算得出的三組數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)比分析,建議該變壓器的能效限定值選擇空載損耗小于14 kW,負(fù)載損耗小于65 kW的范圍。
根據(jù)上述三種推算方法,推算出了某核電機(jī)組主泵專用變壓器1級(jí)能效對(duì)應(yīng)的空載損耗和負(fù)載損耗的限定值。此限定值作為采購(gòu)招標(biāo)、供應(yīng)商設(shè)計(jì)制造的必要條件,對(duì)選擇和制造出滿足高能效要求的變壓器具有指導(dǎo)意義。
另外,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)新的版本GB 20052-2020將于2021年6月1日正式實(shí)施,對(duì)能效要求進(jìn)行了升級(jí),要求損耗更低,選用高能效的變壓器是一個(gè)大趨勢(shì),對(duì)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。同時(shí),也建議后續(xù)修改相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中能夠涵蓋大容量變壓器的能效限定值。
表5 6 kV、10 kV級(jí)630~6300 kVA三相干式電工鋼帶鐵心無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)《T/CEEIA 258—2016》Table 5 630~6300 kVA three-phase dry-type electrical steel belt core non-excitation voltage regulating power transformer of 6 kV/10 kV class energy efficiency limit value and energy efficiency grade (T/CEEIA 258-2016)能效等級(jí)1 3容量/KVA電壓組合及分接范圍聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)空載/KW 損耗不絕系統(tǒng)度下負(fù)載耗/KW空載KW 損耗/不絕系統(tǒng)溫下負(fù)載耗/KW高壓/KV高壓分接低壓/KV同130℃緣B(100℃)溫155℃的F(120℃)損180℃H(145℃)同130℃緣B(100℃)度155℃的F(120℃)損180℃H(145℃)6300 1010.511±2×2.5±5 33.1566.3 Dyn11 Yd11 Yyn0 6.8 30.0 31.8 34.0 8.5 33.3 35.3 37.8
表6 35 kV級(jí)800~25000 kVA三相干式電工鋼帶鐵心無(wú)勵(lì)磁電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)《T/CEEIA 258—2016》Table 6 35 kV 800~25000 kVA three-phase dry-type electrical steel belt core unexcitation power transformer energy efficiency limit value and energy efficiency grade(T/CEEIA 258-2016)能效等級(jí)1 3容量/kVA電壓組合及分接范圍結(jié)聯(lián)標(biāo)組號(hào)空載/kW 損耗不絕系統(tǒng)度下負(fù)載耗/kW空載/kW 損耗不絕系統(tǒng)度下負(fù)載耗/kW高壓/kV高壓分接低壓/kV同130℃緣B(100℃)溫155℃的F(120℃)損180℃H(145℃)同130℃緣B(100℃)溫155℃的F(120℃)損180℃H(145℃)16000 35363738.5±2×2.5±5 66.31010.511 Dyn11 Yd11 YNd11 15.4 64.4 68.4 73.2 19.3 71.7 76.0 81.3
表7 630~6300 kVA 10 kV/6.9 kV的變壓器3級(jí)能效損耗數(shù)據(jù)Table 7 Level 3 energy efficiency loss data of 630~6300 kVA 10 kV/6.9 kV transformer能效損耗/kW容量/kVA 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300空載損耗/kW 1.44 1.62 1.94 2.34 2.79 3.60 4.23 5.04 6.03 7.20 8.50負(fù)載損耗/kW 6.00 7.17 8.28 9.86 12.0 14.3 16.8 19.7 23.7 28.0 33.3