節能變壓器

變壓器損耗中的空載損耗，即鐵損，主要發生在變壓器鐵芯疊片內，主要是因交變的磁力線通過鐵芯產生磁滯及渦流而帶來的損耗。最早用於變壓器鐵芯的材料是易於磁化和退磁的軟熟鐵，變壓器鐵芯是由鐵線製成，而不是由整塊鐵構成，為了克服磁迴路中由周期性磁化所產生的磁阻損失和鐵芯由於受交變磁通切割而產生的渦流。用線束製作的鐵芯可有效減少渦流路徑的截面積。

在1900年左右，經研究發現在鐵中加入少量的硅或鋁可大大降低磁路損耗，增大導磁率，且使電阻率增大，渦流損耗降低。經多次改進，方用0．35mm厚的硅鋼片來代替鐵線製作變壓器鐵芯。

近年來世界各國都在積極研究生產節能材料，變壓器的鐵芯材料已發展到現在最新的節能材料——非晶態磁性材料2605S2，非晶合金鐵芯變壓器便應運而生。使用2605S2製作的Satons變壓器，其鐵損僅為硅鋼變壓器的1/5，鐵損大幅度降低。

非晶態合金早在太陽能電池領域已有了飛躍發展。在80年代迅速應用於磁性材料領域，美國阿拉伊特公司長期從事非晶態材料的研究，以METGLAS為品名。1979年已研製出具有實用價值的2605SC，其材料成份為Fe81B13．5Si3．5C2。該公司在1981年又試製成功非晶態磁性2605S2，化學成份為：Fe78B13Si9，與最初的2605SC相比，降低了磁通密度，改善了熱穩定性，降低了鐵損，兩者性能比較見表1所示。

非晶態合金是無晶料原子結構，一個個原子無規則的分佈在材料的基體中，並能迅速冷卻而出現玻璃狀成份。典型的非晶態合金含80%的鐵，而其它成份是硼和硅。非晶態合金有很多生產方法，但最常見的是把熔化的金屬蒸汽噴在高速旋轉的銅繞線架上，熔化的金屬以106℃/s的速率冷卻並固化成薄肋狀；因淬火形成的高內應力必須用200℃～280℃之間的退火來減小，以便成為好的磁特性材料。

變壓器鐵芯噪音，其中很重要的原因與鐵芯材料的磁致伸縮有關，非晶態鐵芯與硅鋼鐵芯有著顯著不同，見圖所示。

從我國部分新能源發電行業來看節能變壓器發展趨勢是很明朗的，風電、光伏發電、垃圾發電、餘熱發電等的發電裝機容量均保持增長。截至2012年底，全國累計風電裝機容量為6083萬千瓦，同比增長率達35.0%，光伏發電累計裝機容量接近5000MW，餘熱發電新增裝機容量為800MW左右等。節能變壓器作為發電行業必備的輸配電設備，其需求量與電電力網投資規模密切相關。近年來，新能源發電行業的快速發展，更為節能變壓器帶來了較好的發展空間，也成為節能變壓器製造企業搶佔細分市場領域，擴大業務範圍的重要方向。同時，也促進了節能變壓器變壓器產品結構的優化和技術的革新。

以風電和太陽能發電為例，國家規劃到2020年我國風電裝機容量將達到15000萬千瓦，2012-2020年間，風電新增裝機容量約為8700萬千瓦，節能變壓器需求量與發電設備新增裝機量密切相關，其配比接近12：1，到2020年我國風電行業節能變壓器需求量增量約為10.44億千伏安。同時，根據《可再生能源發展“十二五”規劃》，到2015年末國內太陽能發電裝機目標有望上調至1500萬千瓦，2012-2015年間，光伏發電新增裝機容量約為1100萬千瓦，到2015年光伏發電行業新增節能變壓器需求約為1.32億千伏安。由此可見，節能變壓器在新能源發電行業具有廣闊的發展前景。

美國麻省理工學院於1979年採用2605SC製作了15kVA的乾式變壓器。日本於1981年7月採用2605S2試製了10kVA的變壓器，再於1982年8月試製了30kVA的高壓油浸變壓器，1983年2月又試製了35kVA三相五柱式模型變壓器作研究對象。我國在80年代初期進行對非晶態合金變壓器的研究，並於1986年由上海變壓器廠研製了30kVA的非晶態鐵芯變壓器。90年代非晶鐵芯變壓器的研發已進入實用階段，國內數廠家相繼引進國外技術，生產出較大容量的非晶鐵芯變壓器。

非晶合金鐵芯變壓器的構成

（1）變壓器鐵芯均為三相五柱式兩行矩形排列，在兩個旁柱中流過零序磁通，磁通不經過箱體，不產生髮熱的結構損耗，使變壓器能滿足低雜訊、低損耗；

（2）高低壓線圈均為矩形的銅繞組，當線圈偶然發生短路時，能適應較大的機械應力破壞，線圈不產生變形；

（3）箱體採用冷軋鋼板製成的片狀散熱器，高低壓套管的上方加裝防冰雹、防塵、防雨罩，其引線無導體裸露，可用電纜接線，全絕緣保護；

（4）變壓器熱循環油填充硅油，箱體全密封，20年內免維護，且可適應高溫場所。

非晶合金鐵芯變壓器的規格

（1）容量：30kVA～1600kVA，電壓6kV～10kV/0．4kV/0．22kV，聯結組標號為Y·yn0，D·yn11；

（2）空載損耗、負載損耗、阻抗電壓、主絕緣均符合GB/T6451－1995的技術要求。

非晶合金鐵芯變壓器，具有低噪音、低損耗等特點，其空載損耗僅為常規產品的1/5，且全密封免維護，運行費用極低。

S7系列變壓器是1980年後推出的變壓器，其效率較SJ、SJL、SL、SL1系列的變壓器高，其負載損耗也較高。80年代中期又設計生產出S9系列變壓器，其價格較S7系列平均高出20%，空載損耗較S7系列平均降低8%，負載損耗平均降低24%，並且國家已明令在1998年底前淘汰S7、SL7系列，推廣應用S9系列。非晶合金鐵芯變壓器SH12系列的空載損耗較S9系列降低75%左右，但其價格僅比S9系列平均高出30%，其負載損耗與S9系列變壓器相等。下面僅對其節能效果與投資效益做一計算實例。

節能變壓器的計算公式

（1）有功損耗：ΔP=P0+KTβ2PK（1）

（2）無功損耗：ΔQ=Q0+KTβ2QK（2）

（3）綜合功率損耗：ΔPZ=ΔP+KQΔQ（3）

Q0≈I0%SN，QK≈UK%SN

式中：Q0——空載無功損耗（kvar）

P0——空載損耗（kW）

PK——額定負載損耗（kW）

SN——變壓器額定容量（kVA）

I0%——變壓器空載電流百分比。

UK%——短路電壓百分比

β——平均負載係數

KT——負載波動損耗係數

QK——額定負載漏磁功率（kvar）

KQ——無功經濟當量（kW/kvar）

計算條件

（1）取KT=1．05；

（2）變壓器容量SN=800kVA聯結組別為Y·yno；

（3）對城市電網和工業企業電網的6kV～10kV降壓變壓器取系統最小負荷時，其無功當量KQ=0．1kW/kvar；

（4）變壓器平均負載係數，對於農用變壓器可取β=20%；對於工業企業，實行三班制，可取β=75%，以下按這兩種情況計算；

（5）變壓器（800kVA）價格為S7=76000元，S9=91000元，SH12=118300元；

（6）變壓器運行小時數T=8760h，最大負載損耗小時數：t=5500h；

（7）電費按綜合電費0．60元/kWh（未按兩部電價計算方法）；

（8）變壓器空載損耗P0、負載損耗PK、I0%、UK%，見表2所示。

計算實例

根據計算公式及計算條件，按β=20%和β=75%兩種情況分析，計算過程及結果見表3所示。

投資價差回收年限

投資價差回收年限，一般有兩種計算方法：

（1）靜態投資回收期：不考慮投資的貨幣時間價值，計算公式：=；

（2）動態投資回收期：考慮投資的貨幣時間價值，將現在投資及未來收益均以資金的折現率折為現值。此法計算複雜，要涉及通貨膨脹率、資金銀行利率、折現率等，因此不確定因素多。在此建議不採用此法，則宜採用靜態投資回收期。

SN=800kVA的SH12較S7多投資：

ΔCS7=118300－76000=42300元

SH12較S9多投資：

ΔCS9=118300－91000=27300元

在β=20%時，多投資的回收年限為：

TS7===4．49（年）

TS9===3．79（年）

在β=75%時，多投資的回收年限為：

T'S7===2．59（年）

T'S9===3．79（年）

其它容量的SH12較S7，S9多投資回收年限計算，均可採用上述計算方法及步驟。

變壓器節能是在產品質量要求和性能安全可靠基礎上所提出的更高要求，這將帶來設計、製造等額外的成本投入，以滿足用戶降低更多能源損耗的需求。因此，這不僅需要以全壽命周期管理思想為前提，計算投資與回收的長期經濟效益、也需要建立在公平競爭、有效監督管理和節能財稅優惠等市場與政策支持的有效機制。

而目前配電變壓器行業競爭激烈，面對原材料成本高的壓力，以及節能評估體系建設和市場監督管理的不足，選用節能變壓器所面臨的較高初次投入，使得節能變壓器的推廣帶來一定的困難。

（1）變壓器原材料的成本壓力

變壓器原材料，包括硅鋼片、銅等材料的價格高是節能變壓器發展所面臨的主要困難和問題。變壓器損耗的降低主要來自於冷軋取向硅鋼片技術工藝的進步所帶動的空載損耗降低和變壓器繞組的負載損耗降低。由於近兩年寶鋼產能擴大和技術水平提高，和武鋼一起逐步滿足國內市場對於冷軋取向硅鋼片的要求，因此硅鋼片的市場價格也將逐步趨於穩定。 “而對於電磁線，並沒有基於材料性能上的更加經濟的技術革新”，使得變壓器的生產企業和電磁線的供應企業在居高的銅價和劇烈的價格波動中，難於控制成本，也大幅壓縮了企業的利潤空間，降低了進一步降低負載損耗的意願。

我國是缺銅國家，精銅主要來自進口，銅價受國際供需和國際遊資影響。面對這樣一種環境和資源需求，更應該綜合考慮銅資源利用對產業影響並分析促進社會經濟價值最大化的合理應用區間。

資源可以固化為社會財富，也是經濟發展的持續動力。對於具備一定金融屬性的金屬材料使用，應該分析其長期的資源利用價值和所應用設備的使用價值，調整外匯使用和投資政策，並關注充分利用好現有設備的可再循環資源的回收和再利用，調整耗能產業結構，充分利用國外的資源，提升國內的資源利用效率和促進循環經濟的發展，併發揮資源利用的長期經濟價值。

（2）缺乏變壓器全壽命周期管理

很多的電力用戶並沒有建立起積極的資產全壽命周期成本管理、環境影響評定並缺乏有效的評估和能源服務人員。在配電變壓器當中，採購人員或者對於節能變壓器的經濟運行和綜合成本評價認識不足，或者在資金有限的情況下僅能考慮短期的投資成本，而不得不忽略長期運行和維護成本。

（3）政策法規需要更加細緻的實施和有力的監管由於變壓器的製造特點，使得用戶很難判定新購買變壓器的質量、性能和標定的損耗水平是否真實滿足標準。加上運行管理中對於用能計量的不足，無法評定實際運行損耗並提出更為有效的經濟運行和管理措施。

目前，電網用戶已在積極想辦法，採取抽檢、臨檢的方式，以確保新採購變壓器滿足安全運行和實際損耗要求，杜絕偽劣產品的流入。

（4）加強節能信息溝通與政策標準的協調發展節能變壓器政策和技術信息包括了變壓器的設計、生產、採購、運行、服務和融資的各個環節，因此，加強整個供應鏈的信息交流有利於上游對於下游需求的把握，加強技術升級，同時也有利於用戶了解所負擔的綜合成本，積極尋求節能投資的好項目，以發揮節能採購和改造的最大經濟效益。

另一方面，由於目前產品標準與國家能效標準對於損耗的要求在個別條款中描述的差異，也造成了用戶對損耗指標的疑問。目前在配電變壓器能效標準的修訂中，將更好地協調國家行業等標準對於各項指標的要求，並互相促進以利於整體行業技術的發展。

（5）變壓器節能效益評估和缺乏融資服務

在非供電企業中，變壓器節能量也與電費的收取方式有關。在節能變壓器的推廣中，對於按照變壓器容量計算基本電費時所可能造成節能但不節錢的情況將不利於節能變壓器的選擇，而發揮不出節能變壓器的應有作用。

在部分老舊變壓器的節能改造中，由於改造資金的不足，且改造的投資回收期較長，如無優惠政策的支持，企業變壓器節能改造將有一定難度。

目前，儘管有很多融資服務，如合同能源管理模式，變壓器的CDM或PCDM項目，都很少針對中小企業的變壓器改造提供服務。儘管在融資服務上有一定的困難，但是隨著政府部門的節能力度的深入，節能變壓器未來可能進入惠民工程和享受所得稅優惠政策，對節能變壓器將帶來進一步的推動作用。

國家計委節能局在1983年頒布實施的《關於節約能源基本建設項目可行性研究的暫行規定》中指出：計算投資回收年限一般不應超過5年，最長不超過7年，做為權衡投資與節能效益的政策規定。

根據以上計算結果，可得出如下結論：

（1）SH12較S7，S9多投資的部分均在政策規定的年限內收回，因此目前推廣應用SH12符合節約能源的國家政策導向；

（2）在農村地區一般情況下平均負載率為15%～20%，SH12較S7多投資回收年限稍長，但較S9多投資的回收年限較短，說明在農村地區權衡SH12、S9的投資及節能效益時，應做出推廣應用SH12代替S9的決策；

（3）在工礦企業中，實行三班制，負載率一般在50%～80%，SH12多投資的回收年限較農村地區短，其投資效益更加顯著；

（4）廣泛推廣應用非晶合金鐵芯變壓器，無論是在農村地區的農網改造，還是在廠礦企業，尤其是在新建的配電室變電站中，建議均應採用SH12，如一次性投資到位，可避免短期的重複投資。