盧康平 王兵 蔣龍

(山西出入境檢驗檢疫局 山西太原 030024)

出口配電變壓器的能效技術(shù)貿(mào)易壁壘分析

盧康平 王兵 蔣龍

(山西出入境檢驗檢疫局 山西太原 030024)

本文介紹了國內(nèi)外主要國家的配電變壓器能效標準,比較分析了國內(nèi)外能效標準的差異及能效水平的高低。為國內(nèi)出口配電變壓器生產(chǎn)廠家克服國外技術(shù)貿(mào)易壁壘提供技術(shù)幫助,對促進國內(nèi)節(jié)能變壓器的升級改造和出口貿(mào)易的順利發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

配電變壓器;能效標準;技術(shù)貿(mào)易壁壘

1 前言

配電變壓器是我國目前配電網(wǎng)中最主要的電氣設(shè)備。由于使用量大、運行時間長,變壓器在選擇和使用上存在著很大的節(jié)能潛力。據(jù)估計,我國變壓器的總損耗占系統(tǒng)發(fā)電量的7%左右,如損耗每降低1%,每年可節(jié)電上百億kwh。

目前我國電網(wǎng)中,S9型配電變壓器是主導(dǎo)產(chǎn)品,新改造的電網(wǎng)中已積極推廣S11型產(chǎn)品。通過主要發(fā)達國家與我國配電變壓器能效標準的比較研究,很多發(fā)達國家推廣的變壓器能效標準已高于我國的S11型產(chǎn)品。

節(jié)能配電變壓器的推廣應(yīng)用是個國際趨勢,對緩解能源緊缺、減少環(huán)境污染具有極大的現(xiàn)實意義。我國配電變壓器主要出口市場分布在非洲、中東、中亞和東南亞國家,隨著我國援外電網(wǎng)建設(shè)工程的開展,變壓器的出口量將日益劇增,這些國家變壓器的技術(shù)標準一般參照歐洲標準。針對配電變壓器能效評價方法和技術(shù)性貿(mào)易措施實施全面的研究,對促進國內(nèi)配電變壓器企業(yè)的節(jié)能技術(shù)改造和占領(lǐng)國際市場具有重大的指導(dǎo)意義。

2 配電變壓器的損耗

配電變壓器的電能轉(zhuǎn)換效率直接與其損耗呈反比關(guān)系,要提高配電變壓器的效率就要降低其損耗。配電變壓器在運行中除了將大部分電能進行轉(zhuǎn)化外,一部分電能被自身消耗掉,這部分被變壓器自身消耗的電能稱為變壓器損耗。配電變壓器損耗主要是由空載損耗和負載損耗構(gòu)成,兩者之和稱為總損耗。

絕大部分空載損耗產(chǎn)生在變壓器的鐵心中,也稱為鐵損,它包括磁滯損耗和渦流損耗,是由于鐵心中的磁通以電網(wǎng)交流頻率變化而產(chǎn)生的,最終以熱的形式散發(fā)到變壓器外?？蛰d損耗的高低受鐵心材料的特性、厚度、兒心疊片方式和生產(chǎn)工藝的直接影響。此外,由于空載電流流經(jīng)繞組,在繞組內(nèi)產(chǎn)生電阻損耗R,但空載電流的電阻損耗一般很小。配電變壓器銘牌上的空載損耗是將額定頻率、正弦波形和額定電壓施加于選定的繞組上并將其他繞組開路,所測量到的變壓器所消耗的有功功率,其值可反映變壓器空載時所消耗的能量。

絕大部分負載損耗產(chǎn)生在變壓器的繞組中,又稱為銅損,它主要包括負載電流通過繞組時在導(dǎo)線電阻上產(chǎn)生的損耗和附加損耗,這部分損耗最終也是以熱的形式散發(fā)到變壓器體外。負載損耗的大小主要受負載電流和導(dǎo)線電阻的影響,由于繞組導(dǎo)線電阻又受溫度的影響,所以變壓器的溫度也影響著負載損耗的大小。附加損耗包括了繞組導(dǎo)線內(nèi)的渦流損耗、繞組內(nèi)并聯(lián)導(dǎo)線中的不平衡電流損耗、鐵心和夾件內(nèi)的附加損耗、油箱的附加損耗。

三相配電變壓器銘牌上的負載損耗是當額定電流流過高壓繞組時且低壓短路,在額定頻率、額定電流及參考溫度下變壓器所消耗的有功功率,其值可反映變壓器負載損耗的特性。由于變壓器的負載是變化的,所以銘牌上的負載損耗并不代表變壓器的實際損耗。

前面已經(jīng)提到,配電變壓器的損耗主要包括空載損耗和負載損耗,提高變壓器的效率,就要應(yīng)用新的技術(shù)和工藝來降低這些損耗。縱觀配電變壓器節(jié)能技術(shù)的發(fā)展,每項新技術(shù)和新工藝的廣泛應(yīng)用不但帶有其時代特征,而且與其經(jīng)濟性相關(guān)。我們用科技發(fā)展觀來看,變壓器節(jié)能技術(shù)的每一步發(fā)展,都代表了那個時代的科技水平,是那個時代新技術(shù)在變壓器制造中的應(yīng)用。但是新技術(shù)是否能夠在變壓器行業(yè)全面推廣,還要看它在哪個時期的經(jīng)濟性,也就是它的價格是否被廣大用戶所接受。

降低變壓器損耗的方法有兩種,一種是使用更多的材料來降低損耗,另一種是采用新的技術(shù)和工藝來降低損耗。前一種是利用更多的鐵心材料增加鐵心的截面積,從而使磁組降低,達到減少空載損耗的目的。同時利用更多的繞組材料,增加繞組的截面積,使繞組中的電阻值降低,達到減少負載損耗的目的?？梢哉f,這種途徑是有效和簡便的,但它的效用是遞減的,也就是每次增加同等量的材料,損耗降低的幅度不斷減小。所以這一途徑目前受到價格、體積、重量等因素的制約而無法繼續(xù)走下去。后一種途徑是在變壓器結(jié)構(gòu)上、材料上、工藝上和設(shè)計上采用新的技術(shù),在不增加產(chǎn)品體積和重量的條件下來達到降低損耗的目的,后一種途徑將是今后我國變壓器節(jié)能技術(shù)發(fā)展的唯一道路。

3 國內(nèi)外主要國家配電變壓器的能效標準

3.1 美國的強制性最低能源性能標準

2005年8月8日,美國總統(tǒng)簽署了2005能源政策法(EPACT),該法的公共法109-58,第135(c)(4)制定了生產(chǎn)或進口美國的低壓干式變壓器的最低效率標準(M EPS),EPACT 2005要求2007年1月1日后制造的低壓干式配電變壓器應(yīng)滿足國家電氣制造商協(xié)會(NEMA)TP-1-2002“配電變壓器能效評價指南”中規(guī)定的配電變壓器I級能效水平,見表1。

表1 低壓干式配電變壓器I級能效水平

隨后,美國能源部又開始制定油浸和中電壓干式配電變壓器最低能效標準,此標準是將NEMA的TP1轉(zhuǎn)化過來,并在2010年1月1日開始實施。當標準實施后,配電變壓器的生產(chǎn)商和進口商所生產(chǎn)或銷售的產(chǎn)品不能低于標準中所規(guī)定的效率。這項最低能效標準的適用范圍見表2,油浸配電變壓器能效標準值見表3,干式配電變壓器能效標準值見表4。

表2 油浸和中壓干式配電變壓器最低能效標準產(chǎn)品類型和編號

表3 油浸配電變壓器最低能效標準

表4 中壓干式配電變壓器最低能效標準

3.2 歐洲能效標準

歐洲有兩個文件規(guī)定了配電變壓器的能效水平,分別是(1)HD 428.1:《功率為50到2500kVA,最高電壓不超過36kV,50Hz三相油浸式配電變壓器第一部分:一般要求和最高電壓不超過24 kV變壓器要求》,1992年11月13日發(fā)布;(2)HD538.1:《功率為100到2500 kVA,最高電壓不超過36kV,50Hz三相干式配電變壓器第一部分:一般要求和最高電壓不超過24 kV變壓器要求》,1992年11月13日發(fā)布。

由于HD428.1和HD538.1兩個標準中規(guī)定配電變壓器的額定容量型譜(50,100,160,250,400,630,1000,1600和2500 kVA)很少,所以也可以采用插值計算法確定容量范圍內(nèi)的任意容量下的損耗。針對每一個額定容量,標準都確定了兩個能效值:負載損耗和空載損耗。

根據(jù)HD 428.1和HD 538.1中變壓器額定功率范圍,表5給出了油浸配電變壓器的A、B、C三檔銅損值以及A’、B’、C’三檔鐵損值作為能效水平的允許選擇標準,這樣原則上有9種變壓器排列組合,范圍從最低能效(B-A’)到最高能效(C-C’),后者為配電變壓器能夠達到較高能效值。對于公布的變壓器損耗值及允許公差,如果在工廠驗收試驗的損耗高于規(guī)定值時,變壓器可以被拒收或?qū)Τ挡糠钟晒┬栝g協(xié)商經(jīng)濟補償。同樣,對于大型變壓器,如果變壓器的能耗低于雙方認同的極限值,會對生產(chǎn)商提供一定的獎勵。

表5 配電變壓器的損耗標準

HD428推薦5種可選損耗的組合,見圖1。AA’是基本選擇(圖中粗線表示),在A-A’與CC’配電變壓器的空載和負載總損耗之間有明顯不同,對于一臺630kVA變壓器大約相差1.5kW。

圖1 變壓器的空載和負載的選擇

3.3 日本效率標準

3.3.1 范圍

適用于油浸式和樹脂澆注式配電變壓器,相數(shù)為單相或三相,容量等于或小于500kVA,大于500kVA,電源頻率為50Hz或60Hz。

不適用于發(fā)電機變壓器和輸電變壓器,使用量非常少的變壓器或用于特殊場合的變壓器,如空氣冷卻變壓器和容量在2000kVA以上的變壓器等。

3.3.2 實施時間

新生產(chǎn)的變壓器應(yīng)根據(jù)下面所列的時間達到新標準的要求:

①油浸式變壓器:2006年;

②樹脂澆注干式變壓器:2007年。

3.3.3 測量效率的方法

變壓器的效率是用總損耗(W)來評價的,并用空載損耗和負載損耗通過下列公式求得:

總損耗(W)=空載損耗(W)+(m/100)2×負載損耗(W)

m——負載系數(shù)

變壓器容量等于或小于500kVA時,m為40%;變壓器容量大于500kVA時,m為50%。

3.3.4 效率等級

由于日本標準指標是在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過回歸分析計算出來的,所以日本標準中給出的是變壓器總損耗的計算公式。各類型變壓器的計算公式見表6。公式中的“kVA”為變壓器的容量。

表6 目標標準計算公式

(續(xù)表6)

日本能效標準規(guī)定,在變壓器性能數(shù)據(jù)表中或當購買人員在選擇變壓器時,生產(chǎn)者應(yīng)提供如下信息:產(chǎn)品名稱和型號、額定容量、相數(shù)、額定頻率、額定初級和次級電壓、能效、標準負載系數(shù)、執(zhí)行標準的名稱和生產(chǎn)廠家的名稱。

3.4 中國的GB20052-26三相配電變壓器能效限定值及節(jié)能評價值

3.4.1 配電變壓器的能效限定值

配電變壓器的空載損耗和負載損耗標準值應(yīng)按表7或表8的規(guī)定,允許偏差應(yīng)符合GB1094.1的規(guī)定。

表7 油浸式配電變壓器的能效限定值

表8 干式配電變壓器能效限定值

3.4.2 配電變壓器目標能效限定值及節(jié)能評價值

配電變壓器的空載損耗和負載損耗目標能效限定值按表9或表10的規(guī)定,允許偏差應(yīng)符合GB1094.1的規(guī)定,并應(yīng)在本標準實施之日起4年后開始實施。

配電變壓器的空載損耗和負載損耗節(jié)能評價值應(yīng)符合表9或表10的規(guī)定,空載和負載損耗允許偏差應(yīng)在7.5%以內(nèi),總損耗允許偏差應(yīng)在5%以內(nèi)。

表9 油浸式配電變壓器目標能效限定值及節(jié)能評價值

表10 干式配電變壓器目標能效限定值及節(jié)能評價值

4 結(jié)論

我國制定了GB20052-26三相配電變壓器能效限定值及節(jié)能評價值,能效限定值是基于市場的主流變壓器S9型和SC9型的性能指標,目標評價值是基于S11和SC10的性能指標。能效限定值是國家允許產(chǎn)品的最低能效值,是強制性指標,是市場準入指標,等同于技術(shù)法規(guī),低于該值的產(chǎn)品屬于國家明令淘汰的產(chǎn)品,因此該標準是個強制性標準。與我國類似采用強制性標準的是美國、澳大利亞和墨西哥,他們采取最低性能標準,未達到最低性能標準的變壓器不能上市。而歐盟和日本對變壓器的能效標準采用的是自愿性標準,歐盟對工廠驗收試驗的變壓器損耗如果高于規(guī)定值時,可以對其拒收或?qū)Τ挡糠诌M行經(jīng)濟補償。

我國變壓器產(chǎn)品標準參考采用IEC標準,所以能效評價參數(shù)是空載損耗和負載損耗。歐洲與日本能效評價參數(shù)也是采用損耗,而美國、澳大利亞和墨西哥等國家采用的是使用效率(%)。

美國的效率指標與我國S9型變壓器指標相似;澳大利亞的效率指標與我國S11型變壓器指標相似;歐盟的C—C’級比S11略高,其中C’系列變壓器的空載損耗比S11平均高3%,C系列的負載損耗比S11平均低8%;而日本變壓器能效指標比S11指標高,但比當前效率最高非晶變壓器稍低。

檢測方面,美國能效檢測依據(jù)是根據(jù)國家電氣制造商協(xié)會制定的NEMA TP-2,歐洲、澳大利亞和新西蘭檢測依據(jù)是IEC60076,日本能效空載和負載檢測方法是J IS C 4304和J IS C 4306。我國油浸式變壓器的空載損耗和負載損耗應(yīng)按GB1094.1要求進行測試,干式變壓器的空載損耗和負載損耗應(yīng)按GB6450的要求進行測試。其中GB1094.1是等效采用IEC60076-1標準,GB6450是等效采用IEC726干式變壓器部分。

我國變壓器能效標準與其他國家相比:(1)適用范圍窄。我國只制定三相配電變壓器的標準,而國外既有三相也有單相配電變壓器的能效標準;我國標準三相配電變壓器只適用于10KV電壓等級,國外標準適用的配電變壓器電壓等級相對廣泛。例如,美國干式配電變壓器分低壓和高壓,電壓絕緣等級從低壓到96KV以上。(2)檢測方法標準更新速度相對較慢。檢測油浸式變壓器的空載損耗和負載損耗的GB1094.1是1996年標準,它是等效采用IEC76-1-1993電力變壓器總則,而IEC76-1-1993已更新為IEC60076-1-2000標準。檢測干式變壓器的空載損耗和負載損耗的GB6450是1986標準,它是等效采用IEC726-1982標準干式電力變壓器,而IEC726已變更為IEC60076-11-2004干式變壓器標準。(3)我國的能效標準值與國外強制性能效標準值基本相當,但與國外的自愿性能效標準值相比差距比較大。

[1] 美國能源部能源效率與可再生能源辦公室.商用設(shè)備節(jié)能計劃:配電變壓器節(jié)能標準.聯(lián)邦法規(guī)第10編第431部分,2006.

[2] 日本節(jié)能中心.Top Runner Program.http://www.eccj.or.jp.

[3] The Research Commttee For Total Energy.Judgement Criteria Forransformers,2002.http://www.eccj.or.jp.

[4]胡景生,趙躍進.配電變壓器能效標準實施指南[M]標準出.版社,2007.

[5] 日本節(jié)能中心.Japan Energy Conservation Handbook 2008.,2008.

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[8] 姚志松,姚磊,等.新型配電變壓器結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

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[10] GB1094.1-1996電力變壓器第1部分總則[S].

[11] IEC60076-1:2000電力變壓器第一部分總則.

[12] GB6450-1986干式電力變壓器.

[13] IEC60076-11:2004干式變壓器.

[14] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局法規(guī)司.節(jié)約能源法知識問答[M].北京:中國社會出版社,2008.

[15] 美國能源部能源效率與可再生能源辦公室.一些消費產(chǎn)品及商用和工業(yè)設(shè)備的節(jié)約能源標準.聯(lián)邦法規(guī)第10編第430和431部分,2005.

[16] 王亦勤,沈偉奇,高山.幾種電網(wǎng)常用配電變壓器的對比分析[J].能源工程,2005,(4).

[17] 梁秀英,趙躍進,李愛仙,等.我國主要工業(yè)設(shè)備能效標準的節(jié)能潛力分析[J].中國標準化,2003,(8).

[18] 趙躍進.我國工業(yè)用能設(shè)備能效標準現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].中國標準化,2009,(1).

TBT Study on Energy Efficiency of Distribution Transformers

Lu Kangping,Wang Bin,Jiang Long
(Shanxi Exit-En try Inspection and Quarantine bureau,Taiyuan,Shanxi,030024)

The standards in different countries about energy efficiency of distribution transformers were introduced and the differences be tween them were compared in this article.It is instructive to help export distribution transformers manufactories at home conquer technical barriers to trade(TBT),promote the energy saving transformers upgrading and s moo th their expo rt trades.

Distribution Transformer;Energy Efficiency Standards;Technical Barriers to Trade

TM421,F74

國家質(zhì)檢總局科技項目(2008 IK260)