核电厂主泵专用变压器1级能效限值推算

李 烨，赵厚钦

（1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233；2.上海浩晟网络科技有限公司，上海 200041）

第三代核电某核电机组具有一个主泵（反应堆冷却剂泵，简称主泵）专用三相双绕组变压器。该变压器额定容量16 MVA，额定电压10/6.3（7.2） kV，二次侧电压根据主泵额定电压确定，其技术规范书中要求“变压器损耗限值参考《干式电力变压器技术参数和要求》（GB/T 10228-2015）”；但在GB/T 10228-2015中，对于10.5 kV/6.9 kV干式变压器适用的容量最大只到6300 kVA，不适用16 MVA变压器。目前也未有相关变压器能效标准适用于16 MVA/10.5 kV/6.9 kV的变压器。针对节能环保的大方向，采购方与设计方最终商定，主泵专用变压器参考相关标准按照 1级能效标准进行损耗值推算，其推算结果作为供应商设计变压器能耗的最低要求。

1 主泵专用变压器

在该核电机组中，主泵电压为6 kV（屏蔽泵）或6.9 kV（湿绕组泵），频率为50 Hz。变频器在启动主泵阶段投入使用，当变频器输出频率达到50 Hz，主泵稳定运行后，将主泵的电源由变频器输出供电同步切换到厂用电电网旁路供电，因此需要主泵专用变压器将中压10.5 kV电源降至6 kV或者6.9 kV后向主泵供电。表1为主泵专用变压器的技术参数。

表1 技术参数表Table 1 Technical parameter

2 变压器能效标准

变压器能效等级分为3级，1级能效最高，损耗最低。其中空载损耗和负载损耗是在规定测试条件下允许的最高限制。变压器的损耗主要受变压器工艺设计、变压器生产设备、铁芯材料三个方面的影响［4］，并不是能效越低越好，需兼顾功能、环保与成本。

目前，关于干式变压器能效的标准主要有：《干式电力变压器技术参数和要求》（GB/T 10228-2015），对于10 kV电压等级变压器，额定容量适用范围为30～2500 kVA，但35 kV电压等级变压器的适用容量范围为800～25000 kVA；《三相配电变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052-2013）也仅适用于10 kV电压等级，额定容量为30～2500 kVA的干式变压器；中国电器工业协会标准《6 kV～35 kV变压器能效限定值及能效等级》（T/CEEIA 258-2016）中，针对10 kV电压等级电力变压器适用容量范围为630～6300 kVA。以上三个标准均不适用于16000 kVA/10.5 kV/6.9 kV变压器能效的损耗要求。因此，依据现有标准进行1级能耗的合理推算是解决此问题的一个思路。

3 变压器按1级能效推算空载损耗和负载损耗具体过程

下面结合标准GB 20052-2013、GB/T 10228-2015和T/CEEIA 258-2016，通过三种推算方式计算出主泵专用变压器1级能效的空载损耗和负载损耗值。

3.1 推算方法一：以GB/T 10228中35 kV/ 16000 kVA电力变压器损耗（3级能效），按照GB -20052的推算比例折算出其对应的1级能效

通过GB/T 10228和GB 20052两个标准能效参数对比，GB/T 10228中对应不同电压不同容量变压器能效只出了一个等级的损耗值，且相当于GB 20052中同电压同容量变压器的3级能效值。首先根据GB 20052折算出同容量变压器1级能效与3级能效的比例关系，其次根据GB/T 10228中35 kV/16000 kVA电力变压器损耗（3级能效），根据GB 20052的折算比例，折算出与主泵专用变压器同容量 16000 kVA/10.5 V/6.9 V的1级能效值。

根据GB/T 10228同一容量可对应几个不同变比，此处忽略电压等级问题。

（1） GB 20052-2013给出了典型的配电变压器能效等级损耗（见表2，额定容量适用于30～2500 kVA，此处仅列出额定容量为2000 kVA和2500 kVA）。

从表2可以看出，额定容量为2500 kVA，电工钢带型变压器的能效如下。

表2 干式配电变压器能效等级Table 2 Energy efficiency grade of dry-type distribution transformer

1级能效：对应的空载损耗为2590 W，负载损耗（100℃）为14535 W。

3级能效：对应的空载损耗为3600 W，负载损耗（100℃）为16150 W。

计算可知，1级能效空载损耗较3级能效空载损耗下降28%，负载损耗下降10%。

对于额定容量为2000 kVA的电工钢带型变压器，空载损耗和负载损耗存在同样的下降比例。由此推算，1级能效空载损耗限值较3级能效空载损耗限值近似线性关系；1级能效负载损耗限值较3级能效负载损耗限值也近似线性关系。

根据上述规律，推算16000 kVA变压器的1级能效空载损耗较3级能效空载损耗下降28%，1级能效负载损耗较3级能效负载损耗下降10%。

（2） GB/T 10228-2015标准给出了6 kV、10 kV电压等级的630～6300 kVA电力变压器的损耗。但表3中只给出了6 kV/10 kV电压等级，最大容量6300 kVA的变压器，而没有16000 kVA容量的对应值。

表3 6 kV/10 kV级630～6300 kVA无励磁调压电力变压器Table 3 630～6300 kV excitation-free voltage regulating power transformer of 6 kV/10 kV class

其中，在GB/T 10228-2015中给出了800～ 25000 kVA，35 kV/10 kV电力变压器的损耗标准，见表4。

根据表4，35 kV级16000 kVA变压器3级能效空载损耗为19.3 kW，负载损耗（100℃）为71.7 kW。结合上述折算比例，空载损耗和负载损耗如下。

表4 35 kV级800～25000 kVA无励磁调压电力变压器Table 4 800～25000 kVA excitation-free voltage regulating power transformer of 35 kV class

空载损耗：19.3×（1-0.28）=13.896≈13.90 kW

负载损耗（100℃）：71.7×（1-0.1）=64.53 kW

3.2 推算方法二：以GB/T 10228中10 kV对应6300 kVA数据按经验公式推算16000 kVA 3级能效损耗，再按照比例进行能效1级折算

以GB/T 10228-2015对应6300 kVA 10～ 6.9 kV的3级能效损耗，根据公式推算16000 kVA 3级能效损耗，再根据标准 T/CEEIA 258-2016进行能效1级折算。T/CEEIA 258-2016标准给出了对应GB/T 10228-2015的1级能效的损耗水平。具体见表5、表6。

根据表5和表6，其基本原则是1级能效相较于3级能效，空载损耗下降20%，负载损耗（100℃）下降10%。

以GB/T 10228-2015对应6300 kVA 10～ 6.9 kV的3级能效损耗，根据变压器经验公式推算16000 kVA 3级能效损耗，再按T/CEEIA 258-2016进行能效1级折算，具体计算如下。

3.3 推算方法三：以GB/T 10228中10 kV对应6300 kVA按乘幂拟合方式推算16000 kVA 3级能效损耗，再按照比例进行能效1级折算

以GB/T 10228-2015对应630～6300 kVA、10 kV/6.9 kV的3级能效损耗，根据乘幂拟合（y= axb+c）推算16000 kVA 3级能效损耗，再按T/CEEIA 258-2016进行能效1级折算。

（1）利 用Matlab工 具 对630～6300 kVA 10kV/6.9kV的3级能效损耗进行乘幂拟合，见表7。

空载损耗拟合曲线如下：y=0.01439x0.734-0.303负载损耗拟合曲线如下：y= 0.0498x0.7437-0.05986

图1 Matlab工具下的空载损耗拟合曲线Fig.1 Fitting curve of no-load loss under MATLAB tool

图2 Matlab工具下的负载损耗拟合曲线Fig.2 Fitting curve of load loss under MATLAB tool

（2）计算1级能效损耗：

空载损耗：（1-0.2）×（0.01439×160000.734-0.303）≈13.79 kW

负载损耗（100℃）：（1-0.1）×（0.0498× 160000.7437-0.05986）≈59.94 kW

3.4 推算结果总结

根据以上分析，可以得出几种推算方案的损耗，见表8。

根据以上推算得出的三组数据，通过对比分析，建议该变压器的能效限定值选择空载损耗小于14 kW，负载损耗小于65 kW的范围。

4. 总结

根据上述三种推算方法，推算出了某核电机组主泵专用变压器1级能效对应的空载损耗和负载损耗的限定值。此限定值作为采购招标、供应商设计制造的必要条件，对选择和制造出满足高能效要求的变压器具有指导意义。

另外，技术标准新的版本GB 20052-2020将于2021年6月1日正式实施，对能效要求进行了升级，要求损耗更低，选用高能效的变压器是一个大趋势，对能源节约和环境保护具有重要意义。同时，也建议后续修改相关标准中能够涵盖大容量变压器的能效限定值。

表5 6 kV、10 kV级630～6300 kVA三相干式电工钢带铁心无励磁调压电力变压器能效限定值及能效等级《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）能效等级1 3容量/KVA电压组合及分接范围联结组标号空载/KW 损耗不绝系统度下负载耗/KW空载KW 损耗/不绝系统温下负载耗/KW高压/KV高压分接低压/KV同130℃缘B（100℃）温155℃的F（120℃）损180℃H（145℃）同130℃缘B（100℃）度155℃的F（120℃）损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级800～25000 kVA三相干式电工钢带铁心无励磁电力变压器能效限定值及能效等级《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）能效等级1 3容量/kVA电压组合及分接范围结联标组号空载/kW 损耗不绝系统度下负载耗/kW空载/kW 损耗不绝系统度下负载耗/kW高压/kV高压分接低压/kV同130℃缘B（100℃）温155℃的F（120℃）损180℃H（145℃）同130℃缘B（100℃）温155℃的F（120℃）损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的变压器3级能效损耗数据Table 7 Level 3 energy efficiency loss data of 630～6300 kVA 10 kV/6.9 kV transformer能效损耗/kW容量/kVA 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300空载损耗/kW 1.44 1.62 1.94 2.34 2.79 3.60 4.23 5.04 6.03 7.20 8.50负载损耗/kW 6.00 7.17 8.28 9.86 12.0 14.3 16.8 19.7 23.7 28.0 33.3