核電廠主泵專用變壓器1級能效限值推算

李 燁，趙厚欽

（1.上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233；2.上海浩晟網絡科技有限公司，上海 200041）

第三代核電某核電機組具有一個主泵（反應堆冷卻劑泵，簡稱主泵）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，二次側電壓根據主泵額定電壓確定，其技術規范書中要求“變壓器損耗限值參考《干式電力變壓器技術參數和要求》（GB/T 10228-2015）”；但在GB/T 10228-2015中，對于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。目前也未有相關變壓器能效標準適用于16 MVA/10.5 kV/6.9 kV的變壓器。針對節能環保的大方向，采購方與設計方最終商定，主泵專用變壓器參考相關標準按照 1級能效標準進行損耗值推算，其推算結果作為供應商設計變壓器能耗的最低要求。

1 主泵專用變壓器

在該核電機組中，主泵電壓為6 kV（屏蔽泵）或6.9 kV（濕繞組泵），頻率為50 Hz。變頻器在啟動主泵階段投入使用，當變頻器輸出頻率達到50 Hz，主泵穩定運行后，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參數。

表1 技術參數表Table 1 Technical parameter

2 變壓器能效標準

變壓器能效等級分為3級，1級能效最高，損耗最低。其中空載損耗和負載損耗是在規定測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計、變壓器生產設備、鐵芯材料三個方面的影響［4］，并不是能效越低越好，需兼顧功能、環保與成本。

目前，關于干式變壓器能效的標準主要有：《干式電力變壓器技術參數和要求》（GB/T 10228-2015），對于10 kV電壓等級變壓器，額定容量適用范圍為30～2500 kVA，但35 kV電壓等級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》（GB 20052-2013）也僅適用于10 kV電壓等級，額定容量為30～2500 kVA的干式變壓器；中國電器工業協會標準《6 kV～35 kV變壓器能效限定值及能效等級》（T/CEEIA 258-2016）中，針對10 kV電壓等級電力變壓器適用容量范圍為630～6300 kVA。以上三個標準均不適用于16000 kVA/10.5 kV/6.9 kV變壓器能效的損耗要求。因此，依據現有標準進行1級能耗的合理推算是解決此問題的一個思路。

3 變壓器按1級能效推算空載損耗和負載損耗具體過程

下面結合標準GB 20052-2013、GB/T 10228-2015和T/CEEIA 258-2016，通過三種推算方式計算出主泵專用變壓器1級能效的空載損耗和負載損耗值。

3.1 推算方法一：以GB/T 10228中35 kV/ 16000 kVA電力變壓器損耗（3級能效），按照GB -20052的推算比例折算出其對應的1級能效

通過GB/T 10228和GB 20052兩個標準能效參數對比，GB/T 10228中對應不同電壓不同容量變壓器能效只出了一個等級的損耗值，且相當于GB 20052中同電壓同容量變壓器的3級能效值。首先根據GB 20052折算出同容量變壓器1級能效與3級能效的比例關系，其次根據GB/T 10228中35 kV/16000 kVA電力變壓器損耗（3級能效），根據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級能效值。

根據GB/T 10228同一容量可對應幾個不同變比，此處忽略電壓等級問題。

（1） GB 20052-2013給出了典型的配電變壓器能效等級損耗（見表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Table 2 Energy efficiency grade of dry-type distribution transformer

1級能效：對應的空載損耗為2590 W，負載損耗（100℃）為14535 W。

3級能效：對應的空載損耗為3600 W，負載損耗（100℃）為16150 W。

計算可知，1級能效空載損耗較3級能效空載損耗下降28%，負載損耗下降10%。

對于額定容量為2000 kVA的電工鋼帶型變壓器，空載損耗和負載損耗存在同樣的下降比例。由此推算，1級能效空載損耗限值較3級能效空載損耗限值近似線性關系；1級能效負載損耗限值較3級能效負載損耗限值也近似線性關系。

根據上述規律，推算16000 kVA變壓器的1級能效空載損耗較3級能效空載損耗下降28%，1級能效負載損耗較3級能效負載損耗下降10%。

（2） GB/T 10228-2015標準給出了6 kV、10 kV電壓等級的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，最大容量6300 kVA的變壓器，而沒有16000 kVA容量的對應值。

表3 6 kV/10 kV級630～6300 kVA無勵磁調壓電力變壓器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準，見表4。

根據表4，35 kV級16000 kVA變壓器3級能效空載損耗為19.3 kW，負載損耗（100℃）為71.7 kW。結合上述折算比例，空載損耗和負載損耗如下。

表4 35 kV級800～25000 kVA無勵磁調壓電力變壓器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

負載損耗（100℃）：71.7×（1-0.1）=64.53 kW

3.2 推算方法二：以GB/T 10228中10 kV對應6300 kVA數據按經驗公式推算16000 kVA 3級能效損耗，再按照比例進行能效1級折算

以GB/T 10228-2015對應6300 kVA 10～ 6.9 kV的3級能效損耗，根據公式推算16000 kVA 3級能效損耗，再根據標準 T/CEEIA 258-2016進行能效1級折算。T/CEEIA 258-2016標準給出了對應GB/T 10228-2015的1級能效的損耗水平。具體見表5、表6。

根據表5和表6，其基本原則是1級能效相較于3級能效，空載損耗下降20%，負載損耗（100℃）下降10%。

以GB/T 10228-2015對應6300 kVA 10～ 6.9 kV的3級能效損耗，根據變壓器經驗公式推算16000 kVA 3級能效損耗，再按T/CEEIA 258-2016進行能效1級折算，具體計算如下。

3.3 推算方法三：以GB/T 10228中10 kV對應6300 kVA按乘冪擬合方式推算16000 kVA 3級能效損耗，再按照比例進行能效1級折算

以GB/T 10228-2015對應630～6300 kVA、10 kV/6.9 kV的3級能效損耗，根據乘冪擬合（y= axb+c）推算16000 kVA 3級能效損耗，再按T/CEEIA 258-2016進行能效1級折算。

（1）利 用Matlab工 具 對630～6300 kVA 10kV/6.9kV的3級能效損耗進行乘冪擬合，見表7。

空載損耗擬合曲線如下：y=0.01439x0.734-0.303負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工具下的負載損耗擬合曲線Fig.2 Fitting curve of load loss under MATLAB tool

（2）計算1級能效損耗：

空載損耗：（1-0.2）×（0.01439×160000.734-0.303）≈13.79 kW

負載損耗（100℃）：（1-0.1）×（0.0498× 160000.7437-0.05986）≈59.94 kW

3.4 推算結果總結

根據以上分析，可以得出幾種推算方案的損耗，見表8。

根據以上推算得出的三組數據，通過對比分析，建議該變壓器的能效限定值選擇空載損耗小于14 kW，負載損耗小于65 kW的范圍。

4. 總結

根據上述三種推算方法，推算出了某核電機組主泵專用變壓器1級能效對應的空載損耗和負載損耗的限定值。此限定值作為采購招標、供應商設計制造的必要條件，對選擇和制造出滿足高能效要求的變壓器具有指導意義。

另外，技術標準新的版本GB 20052-2020將于2021年6月1日正式實施，對能效要求進行了升級，要求損耗更低，選用高能效的變壓器是一個大趨勢，對能源節約和環境保護具有重要意義。同時，也建議后續修改相關標準中能夠涵蓋大容量變壓器的能效限定值。

表5 6 kV、10 kV級630～6300 kVA三相干式電工鋼帶鐵心無勵磁調壓電力變壓器能效限定值及能效等級《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1 3容量/KVA電壓組合及分接范圍聯結組標號空載/KW 損耗不絕系統度下負載耗/KW空載KW 損耗/不絕系統溫下負載耗/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800～25000 kVA三相干式電工鋼帶鐵心無勵磁電力變壓器能效限定值及能效等級《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1 3容量/kVA電壓組合及分接范圍結聯標組號空載/kW 損耗不絕系統度下負載耗/kW空載/kW 損耗不絕系統度下負載耗/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級能效損耗數據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