新能效标准下变压器的选择
新版变压器能效标准GB 20052 - 2020《电力变压器能效限定值及能效等级》（以下简称“2020版《能效标准》”）已发布并于2021年6月1日实施，GB 20052 - 2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》（以下简称“ 2013版《能效标准》”）和GB 24790 - 2009《电力变压器能效限定值及能效等级》同时废止。2020年12月22日，工业和信息化部办公厅、市场监管总局办公厅、国家能源局综合司关于印发《变压器能效提升计划（2021 - 2023年）》的通知（以下简称《通知》），明确确定了未来3年的总体发展目标：到2023年，高效节能变压器符合2020版《能效标准》中能效要求的电力变压器在网运行比例提高10 %，当年新增高效节能变压器占比达到75 % 以上。
据了解，国家电网按《通知》制订的招标采购计划明确为：目标中提到的“在网运行比例提高10 %”是指在网运行的高效节能变压器总容量的占比，并且在这个10 % 中，85 %以上为2级能效；而“当年新增高效节能变压器占比达到75 % 以上”是指当年各个用户所有采购的变压器的数量占比，同样也是以2级能效为主、85 % 以上。
随着国家绿色低碳节能要求越来越高，国内变压器制造厂商围绕节能、可靠性、全生命周期等绿色节能需要，制造出更低损耗要求的变压器，同时一些厂家也开发了一些新的变压器。
下面就常用10 / 0.4 kV三相变压器的分类、铁心型式结构、非晶合金材质、硅橡胶绝缘、铝箔绕组等节能变压器热点问题进行分析比较，供大家在新标准下设计选择节能型变压器等的参考。
2020版《能效标准》
2020版《能效标准》对变压器能效提出了更高要求。国家高度重视配电变压器节能降耗，基本上每7年标准一修编，大幅度提高能效等级（如图1所示）。
国家及地方各级“绿建标准”都要求应选择满足GB 20052能效标准的变压器，应至少选用符合3级能效标准及以上的变压器。按《变压器能效提升计划（2021 - 2023年）》设计时75 % 以上应选择1、2级能效的高能效变压器。
2020版《能效标准》和2013版对比（如表1所示）
a. 2020版《能效标准》变压器空载损耗降幅更大。以1 250 kVA干变为例，1级能效变压器空载损耗降低了约20 %（硅钢带）和30 %（非晶合金）；负载损耗方面，1级能效的非晶合金变压器已要求负载损耗与硅钢相同（降低约5 %）；对于1级能效硅钢变压器，新旧能效标准负载损耗要求相同；对于2级能效硅钢变压器，2020版《能效标准》负载损耗降低了约10 %，2级能效非晶合金变压器同样降了10 %。
b. 以往设计选用最多、满足2013版《能效标准》1级能效的SC（B）13干变仅达到2020版标准的3级能效（空载损耗比2级能效多了5 %，85 W）。
c. 2020版《能效标准》和2013版都增加了非晶合金材料的变压器；同能效等级的变压器，非晶合金空载损耗只有硅钢的30 % ~ 40 %；2013版《能效标准》非晶合金变压器1级能效的负载损耗要求略高于硅钢变压器，而2020版《能效标准》两者的负载损耗要求相同，说明非晶合金变压器又有新的技术进步。
d. 同容量、不同绝缘系统温度等级的变压器，负载损耗要求也不同，如无特殊要求通常情况下可选择绝缘等级为F级（120 ℃）的变压器。
e. 全国变压器标准化技术委员会2020年11月召开标委会会议，鉴于2020版《能效标准》已经发布，但JB / T 3837 - 2016《变压器类产品型号编制方法》还未修订，为解决两个标准之间的矛盾问题，对过渡期变压器编号拟定了《电力变压器损耗水平代号确定办法》（试用期截止到 JB / T 3837 - 2016《变压器类产品型号编制方法》修订版正式发布实施之日），现阶段可按此办法选择变压器，具体内容如表2 ~ 表5所示。后期标委会应该会尽快推出新的编号标准规则对应新版的能效等级要求。
欧盟（EU）《COMMISSION REGULATION（EU）No 548 / 2014 on implementing Directive 2009 / 125 / EC of the European Parliament and of the Council with regard to small，medium and large power transformers》（欧洲议会和理事会关于中小型、大型电力变压器的欧盟委员会条例第548 / 2014号实施条例2009 / 125 / EC）中规定2021年7月1日起配电变压器的空载损耗A0下降10 %，基本上达到国内2020版《能效标准》2级能效标准，国内2020版1级能效标准的要求更高。
常用10 / 0.4 kV三相变压器的分类及型号
可按损耗水平、用途、材质、冷却介质、结构特征等进行分类，其种类近20种：
a. 按型号性能分为：S11、S13、SC （B） 11、SC（B）13、SJCB14、SC（B） H15等。
b. 按绝缘和冷却介质分为：油浸式变压器（包括矿物油和植物油）、干式变压器、气体绝缘变压器等。干式变压器按绝缘材料分为：树脂浇注干式变压器，如SC （B） 11、SC （B） 13、SC （B） H15；浸渍式干式变压器，如SG （B） 10、SG （B） 11、SG （B） 13；绕包式干式变压器，如SCRB12；硅橡胶绝缘变压器，如SJCB14 （已改为18，下同） 等。
c. 按铁心型式分为：平面叠（卷）铁心，如S13；立体卷铁心，SC （B） 13 - RL。
d. 按铁心材质分为：电工钢带（硅钢片），如SC （B） 13；非晶合金，如SC （B） H15。
e. 按线圈绕组材质、型式分为：线绕（铝线、铜线），如SCL13、SC13、SCH15；箔绕（铝箔、铜箔），如SCL （B） 13、SC （B） 13、SC （B） H15。
变压器的型号表述是按JB / T 3837 - 2016《变压器类产品型号编制方法》进行编制的。其形式如下（具体字母代表含义见JB / T 3837 - 2016表1）：
如环氧树脂浇注干式变压器型号如下：
a. 变压器损耗水平代号我国从“7”开始。以前是设计序号，如S5是第5次统一设计。从7开始，成了损耗水平代号（性能水平代号），数字越大，损耗值（尤其空载损耗或称铁损）越小。
b. 损耗水平代号以后可能会如前所述发生变化，如硅钢的编号可能为14、18。新的变压器产品型号编号今后可能会有调整，以便更好地和能效标准相对应，将来也有可能直接在编号后加上能效等级（如NX1、NX2、NX3等）。
SH15和SCBH15（16编号一直没有采用）为特定的非晶合金变压器；SJC （B） 14目前为硅橡胶绝缘变压器，定代号时可能已按损耗水平有所体现（经与相关企业核实，目前其已改编号为SJC （B） 18）。
干式变压器损耗水平代号及13型干式变压器损耗值见JB / T 3837 - 2016《变压器类产品型号编制方法》表B.7、B.10。
铁心材料的制造与技术发展紧密相关（如图5所示），直接推动了节能配电变压器的应用及推广。“十三五”期间，我国变压器铁心材料制造技术实现了快速发展。适用于高效变压器的铁心材料主要有高磁感取向硅钢和非晶合金。
在单位损耗方面，非晶合金低于硅钢，且仍有下降空间（如图6所示）。
非晶合金又称为金属玻璃或液态金属，其原子处于无规则排列状态，结构和成分比晶态合金更均匀。用于变压器铁心材料的非晶合金带材，是新型的高性能绿色金属材料，具有高磁导率、低损耗的特点，广泛应用于配电变压器、电感元件等领域，可以显著提高器件效率，降低空载损耗，其空载损耗比硅钢材料低60 % ~ 70 %。非晶合金是全生命周期的节能材料，在制造、应用、回收等方面都具有绿色节能优势，今后有可能成为大力发展的方向。
卷铁心由于是沿着取向硅钢片的最佳导磁方向卷绕而成，完全充分地发挥了取向硅钢片的优越性能，磁路畸变小，因此比叠片式铁心空载损耗及空载电流都要小（叠片式铁心因有叠片接缝，会有磁路畸变），所以从节能性能上来说，卷铁心具有优势；另外叠铁心用料较卷铁心要消耗大一些；但卷铁心制造工艺要求高，较叠铁心变压器制造难度大，可维修性较叠铁心弱。
按铁心型式又分为平面叠铁心（如图7所示）、平面卷铁心、立体卷铁心（如图8所示）：
a. 平面叠铁心是由纵剪生产线和横剪生产线将硅钢带加工成一定形状的硅钢片，再将硅钢片按一定方式叠成。叠铁心横截面呈阶梯型。
b. 立体卷铁心的每个单框由开料机曲线剪切开料形成的若干根硅钢带薄片连续卷绕而成，卷绕后呈梯形状，每个单框横截面接近半圆形，整装拼合后的横截面为接近整圆的准多边形。
立体卷铁心结构变压器从技术提出到全面应用已经历数十年的发展，立体卷铁心等高效节能铁心结构实现了产业化应用。目前，立体卷铁心变压器技术从理论分析、结构设计、绕组、铁心带材开料、退火、装配生产工艺及配套的制造装备已日趋完善，完全可以满足目前市场的立体卷铁心变压器批量生产需求。
平面叠铁心干变与立体卷铁心干变对比如表6所示。
漆包铜线是绕组线的一个主要品种，由导体和绝缘层两部组成，裸线经退火软化、多次涂漆后烘焙而成。各种漆包线的质量特性各不相同，但都具备机械性能、化学性能、电性能、热性能四大性能。
箔式绕线是以不同厚度的铜或铝箔带为导体，以宽带状的绝缘材料为层间绝缘，以窄带状的绝缘材料为端绝缘，在箔式绕线机上一次完成卷绕，形成卷状线圈，同时完成线圈内外侧引线的焊接及外表面包扎。
设计采用较多的SCB变压器，一般高压采用线绕、低压采用箔绕。从可靠性和节材性来说，箔式绕组更具优势。如西门子变压器高、低压都采用的是箔式绕组（如图9所示），性能更优良。
a. 按目前市场价格，铝的单价不到铜的1 / 3。在同样电气性能条件下，用铝箔代替铜线或铜箔成本更低。
b. 铝硬度小，更容易加工，毛刺更容易控制，不容易扎破绝缘。铜箔毛刺不易控制，需要更厚的绝缘材料，对变压器散热不利。
c. 铝与树脂的膨胀系数更接近，Al / 树脂 = 24∶37；Cu / 树脂 = 17∶37。在变压器运行时，尤其是变压器低温下突加负载的情况，膨胀系数的差异会导致线圈内部绝缘缺陷的产生，造成局部放电过大甚至绝缘开裂，从而影响变压器寿命。
d. 铝的比热容比铜大，电流密度低，铝变压器的热时间常数大。施加同样负载的情况下，铝变压器升温慢，到达极限温度的时间长，所以允许过载的时间更长。
e. 常规容量铝变压器长度、宽度与铜变压器一致，仅高度略高，质量更轻：1 250 kVA铝变压器尺寸1 730 × 990 × 1 725，质量2 870 kg；1 250 kVA铜变压器尺寸1 730 × 990 × 1 430，质量3 180 kg。
硅橡胶绝缘干式变压器
硅橡胶浇注配电变压器由国内自主研制，硅橡胶具有憎水性好、绝缘性能优、可重复使用、弹性大、防爆性能好等特点。基于硅橡胶材料制造的SJCB14系列干式变压器已达到2020版《能效标准》中1级能效指标（H级）要求，具有节能，生产无污染物排放，全主材可全回收、易回收等特点，符合绿色经济发展的需要，且安全性更高，可以有效提高耐受潮湿、粉尘等恶劣运行环境的能力。目前已经成功运行2 ~ 3年，运行状况良好，为今后干式变压器的应用拓展了又一个技术空间，可能会成为干式变压器的绿色发展方向之一。
非晶合金变压器
非晶合金变压器是美国通用电气（GE）公司上世纪70年代开发研制的一种节能型变压器，至上世纪80年代末实现了商品化生产。由于使用了一种新的软磁材料 —— 非晶合金，非晶合金变压器的节能性能优于各类硅钢变压器：
a. 现有的非晶合金变压器大多采用四框五柱式和三相三柱式的平面开口卷铁心结构。
b. 非晶合金立体卷铁心作为一种结构新颖的非晶铁心，相对于平面卷铁心，立体卷铁心的导磁方向与铁心的磁路方向完全一致。但是非晶带材特性而产生的噪音问题依然难以控制，亟待另辟蹊径针对现有非晶合金立体卷铁心进行优化设计，以克服上述缺陷，部分非晶立体卷铁心变压器噪音已经达到硅钢水平。表9是10 kV 2 000 kVA干式变压器对比。
c. 与硅钢变压器相比，非晶合金变压器节能性高，尤其是其空载损耗低（不到硅钢的40 %）的特点得以广泛应用。随着非晶合金材料产能的扩大和应用的普及，生产耗能低、易回收，符合国家产业政策和电网节能降耗的要求。
d. 现阶段非晶干式变压器与硅钢干式变压器的成本差被缩小，非晶合金变压器的价格不断降低，已兼具经济性，非晶平面干式变压器成本与硅钢成本相差在10 % ~ 15 %（设计时需核实其实际差价）。
e. 随着第二代非晶立体干式变压器的成功研发，非晶变压器的设计磁密也随之升高，成本降低。在新的2级能效下，非晶立体变压器成本与硅钢变压器的成本基本持平（设计时需核实其实际差价）；在个别容量下，非晶立体干式变压器成本已低于硅钢干式变压器成本。
f. 由于非晶合金带材在宽度上的限制，不能进行电力变（110 kV以上）的生产。随着非晶成本进一步下降和立体卷铁心的推出（节材、低噪音），从全生命周期的经济效益及社会效益（碳排放）来说，35 kV电压等级以下的非晶合金变压器可能会有更大的发展。
变压器节能设计中存在的误区
a. 目前对高压用户采用变压器容量交增容费和高可靠费。为了少交基本增容费和高可靠费，设计和运行负载率偏高（国外不同）。
b. 在新建或更新时往往只考虑一次性投资少的设备，而忽略了能耗高、年运行费用高的因素。
c. 凡是1台变压器能承担的负载就不采用2台运行，凡是小容量变压器能承担的负载不使用大容量变压器。
d. 以小容量变压器代替大容量变压器，错误地认为变压器的负载率越高，变压器损失的电能就越少，效率也越高。
由于运行管理存在这些误区，造成配电变压器选型不当，加上不合理的负载率和运行方式，致使配电变压器处于低效状态。
总结
a. 2020版《能效标准》实施和《通知》的发布，对变压器制造和选用都带来了深刻变化。
b. 随着技术的进步，非晶合金变压器以更高的能效和较高的性价比，已可以推荐在工程中大量使用。与同能效的硅钢变压器相比，据了解可在4 ~ 5年内收回多花的投资。
c. 硅橡胶绝缘变压器以其在硅钢干式变压器中率先达到1级能效和安全、环保等性能，可以在工程中应用。
d. 推荐采用立体卷铁心（包括非晶合金卷铁心）变压器。
e. 建议制造企业生产一种集上述优点为一体的干式变压器，如采用非晶合金、立体卷铁心、硅橡胶绝缘等组合的变压器。
f. 目前制造厂商可以生产制造达到新1级能效标准的变压器，只是价格偏高，设计时应考虑性价比，现阶段可选择2级能效变压器（国网75 %内85 %以上）。应密切关注1级能效变压器的性价比，不宜盲目都采用1级能效的变压器。建议在绿建等级要求高的项目（如绿建3星项目），选用1级能效的变压器。据了解，目前1级能效变压器成本比2级能效高约10 %（负载损耗相同），2级能效变压器成本比3级能效高约40 %（空载和负载损耗都降，铁心和绕组性能提高很多）。
g. JB / T 3837 - 2016 修订前，可按变压器标委会纪要编号选择标注变压器。已有部分产品按纪要编号出具变压器检测报告（如图10所示），注意应标注能效等级NX1、NX2、NX3。
h. 选型标注举例（型号没标全，注意标注绝缘系统温度等级，一般为F级）：1级能效，SCB18 - 1250 / 10 - NX1、SJCB18 - 1250 / 10 - NX1、SCBH19 - 1250 / 10 - NX1；2级能效，SCB14 - 1250 / 10 - NX2、SCBH17 - 1250 / 10 - NX2；3级能效，SCB12 - 1250 / 10 - NX3、SCBH15 - 1250 / 10 - NX3。
本文全文载于《建筑电气》2021年第6期，详文请见杂志。
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作者：
杜毅威，男，中国建筑西南设计研究院有限公司，教授级高级工程师，院电气总工程师，院总监。