技术装备名称

绿色智能化硅橡胶干式变压器

技术原理

绿色智能化硅橡胶干式变压器采用绿色硅橡胶节能变压器为本体,并配套数字化监测和异常状态诊断系统,实现了变压器绿色化、智能化和数字化升级。主要技术体现在两个方面:

一、绿色化升级

采用绿色硅橡胶节能变压器为本体,该本体采用了国家发展改革委等四部委编写的《绿色技术推广目录(2020 年)》第55 项绿色技术——硅橡胶节能配电变压器技术。该技术制造的干式变压器回收效率>98.5%,且硅橡胶绝缘材料可回收再利用,铜材回收效率更高。同时,变压器本体采用高牌号硅钢片,并应用多阶梯叠接缝工艺,使得SJCB18 型绿色硅树脂节能变压器满足GB20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》标准1 级能效要求,SJCB14 型绿色硅树脂节能变压器满足标准2 级能效要求。

二、数字化升级

绿色硅树脂节能变压器本体配套有变压器监测及异常状态诊断系统,可实现变压器运行状态监视可视化,能提高变压器智慧运维和全生命周期管理效率。

主要功能及技术指标如下:

1) 变压器绕组温度监视及风机自动控制

监测变压器绕组温度,并根据绕组温度自动控制冷却风机启动/停止;同时提供传感器故障告警、绕组高温告警/超温跳闸等信号。

2) 基于多参数的变压器温升监视及评估系统

装置内置环境温度和湿度传感器,监测变压器运行环境温度和湿度、变压器绕组温度、负载功率、负载率,并记录变压器温升-负载率曲线、温度-负载率曲线;当变压器绕组温升异常时发出预警信号。

3) 变压器损耗电量评估

评估变压器实际运行环境下空载损耗和负载损耗可能导致的电量损失。

4) 供电异常信息捕捉

对供电异常信息进行捕捉和诊断,包括电压偏差、电压波动、电压暂降/暂升、电压/电流谐波畸变、三相不平衡等。捕捉大于200us 瞬变电压,启动故障录波,并实时记录;同时诊断电压暂降扰动源是电源侧还是负载侧。

5) 变压器运行数据统计及记录

统计变压器运行时间、年带电时间,负载率变化、年最大负载、年最大负载利用小时数,记录变压器负荷曲线、需量曲线等。

6) 数据共享

提供标准的通信接口及开放的通信协议,方便数据接入企业智能配电管理系统或能源管理系统。2×RS485、Modbus RTU,1×RJ45,ModbusTCP。

关键技术

绿色硅树脂节能变压器是一款全寿命周期满足绿色要求的干式变压器,具有绿色、安全、节能的特点,其关键技术有:

1、高效节能技术

变压器本体采用高牌号硅钢片,并应用多阶梯叠接缝等工艺方案,生产变压器铁心,并采用新工艺和高性能硅橡胶包封固化变压器线圈,生产过程相对传统工艺能耗降低20%。通过原材料和工艺的提升使得SJCB18 型绿色硅树脂节能变压器满足GB20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》标准1 级能效要求,SJCB14 型绿色硅树脂节能变压器满足标准2 级能效要求。

2、稳定的低局放技术

国标对局放的限定值是<5pC,环氧树脂变压器因绝缘材料因素,局放会随着变压器运行时间增加而增大,通常运行5 年的环氧树脂变压器局放要大于30pC,存在潜在的安全隐患,我们的绿色硅树脂节能变压器采用了新的设计方案,结合硅橡胶的特性,实现了更低的局放性能,并且能够保证长期运行局放不增大,始终保持<5pC 的性能,更好的保障变压器安全可靠运行。

3、耐温冗余设计

1 台变压器耐温能力相对薄弱的是绝缘材料,比如环氧树脂最高耐温是180℃,用于生产H 级变压器看上去是合适的,但并未留出温升的冗余空间。而硅树脂绝缘材料耐温220℃以上,达到R级绝缘。用R 级绝缘的硅树脂材料生产H 级的干式变压器,在耐温性能上我们设计了冗余空间,对变压器安全运行提供了进一步的保障。

4、智能化设计

工业和信息化部、市场监管总局、国家能源局联合发布《变压器能效提升计划(2021-2023年)》中明确提出数字化应用:开展精细化无功补偿技术、智能分接开关、智能融合终端、状态监测可视化等智慧运维和全生命周期管理技术创新,提高变压器数字化、智能化、绿色化水平。

我们自主研发的变压器监测诊断装置能监测变压器温升、负载率、运行时间、年最大负载、负载变化趋势等数据;预警传感器故障、谐波畸变、电压暂升/暂降等异常信息;诊断变压器温升故障、电压暂降扰动源、变压器损耗电量等,从而提升变压器智能化、数字化性能,实现全寿命周期绿色化管理水平。

主要技术参数

1、绿色硅树脂节能变压器主要技术参数

节能性能:满足GB 20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》的能效1级要求,即NX1或优于NX1;

电气安全性能:10kV变压器局部放电≦5pC;

主绝缘可靠性:“固体+空气+固体”的3重冗余、缺陷容错主绝缘系统;

噪音低:30~630kVA/10kV变压器,噪声<45dB;800~2500kVA/10kV变压器,噪声<50dB。

过载能力:长期带载120%(AN)/150%(AF)或以上;

环保性能:材料、制造、运行、退役回收近零排放;

消防安全:优于F1级,少烟无毒;

绝缘强度:>20kV/mm;

宽耐温:-60 ℃~ 250℃;

抗短路冲击能力强;

有弹性、不开裂、不燃烧。

2、变压器监测诊断装置技术参数

绕组温度:Pt100×3,-30~+240℃,B级,分辨率±0.1℃。

环境温度:-20℃~80℃,分辨率±1.0℃

环境湿度:分辨率5%

电压/电流:±0.2%

谐波:2~63次谐波含量,精度S级

电压暂升/暂降:启动故障录波,实时记录,捕捉大于200μs瞬变电压,并故障源定位;

事件记录:>8000条

波形记录:>200条

通讯:2×RS485、Modbus RTU,1×RJ45,Modbus TCP

技术产品特点

绿色智能化硅橡胶干式变压器采用电工钢带叠铁心结构,高压线圈经绝缘材料包封,高压线圈外绝缘采用高性能硅橡胶提升变压器安全性和可靠性,相间绝缘系统采用固体+空气+固体3重冗余方案设计。绝缘材料应具有耐温冗余设计,线圈外绝缘材料耐温应不低于220℃。符合《GB20052-2020》新一级能效限值要求,10kV变压器局部放电≦5pC,过负荷20%(AN)、50%(AF)或以上,噪音不大于50dB,抗短路冲击能力强于传统变压器。变压器监测诊断系统能监测变压器温升、负载率、运行时间、年最大负载、负载变化趋势等数据;预警传感器故障、谐波畸变、电压暂升/暂降等异常信息;诊断变压器温升故障、电压暂降扰动源、变压器损耗电量等,从而提升变压器智能化、数字化性能,实现全寿命周期绿色化管理水平。              

应用现状(或与该技术相关领域的能耗现状)及产业化情况

目前国内应用的干式变压器绝大部分是环氧树脂干式变压器,占比90%以上,从节能角度看其中大多数是SCB10、SCB12、SCB13等型产品,按照GB 20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》的能效限值,SCB13型只能符合三级能效,SCB10、SCB12型是不符合能效要求的即将要淘汰的变压器产品,节能型变压器至少要达到二级能效要求。从变压器变压器其它性能方面看,环氧树脂干式变压器还有一些固有的缺陷:1.因环氧树脂特性因素局部放电会随运行时间增长而变大;2.环氧树脂变压器运行噪音较大;3.环氧树脂变压器回收利用率较低,会造成大量的铜材浪费;4.环氧树脂绝缘材料的温度冗余空间有限。

绿色智能化硅橡胶干式变压器从多维度解决了环氧树脂变压器的缺陷,实现了一级能效性能,变压器运行噪音不大于50dB,局部放电≦5pC,回收效率>98.5%。同时增加了数字化监测诊断功能,可实现对变压器的数字化、智能化全生命周期管理。

应用领域及适用范围

绿色智能化硅橡胶干式变压器可广泛应用于配电网、新能源、钢铁、化工、有色、军工、建材、数据中心等各行业。

节能减排效果(测算方法及依据)

比较1级能效硅橡胶变压器(SJCB18)和环氧树脂变压器(SCB10)1年内的节能量及碳排放量差异比较,一台2500kVA SJCB18型硅橡胶变压器可节省有功电度36848kWh,节能量为11.42吨标准煤/年,减少碳排放为31.67吨二氧化碳/年。

1级能效变压器(GB20052-2020)与SCB10节能减碳数据比较

节能量/年(吨标准煤/年)

以一台 2000kVA/10/0.4 变压器为例,从最常用的环氧树脂变压器SCB10型改造成一级能效硅橡胶变压器SJCB18型。SCB10-2000/10/0.4的空载损耗:3355W,负载损耗:17050W,SJCB18-2000/10/0.4的空载损耗:1760W,负载损耗:14005W,按照年平均80%负载率、年运行8760小时计算,1台年节约电量为31043kWh,按照平均发电标准煤耗 0.31kgce/kWh 计算,节省量为:9.62吨标准煤/年

碳减排量/年(吨二氧化碳/年)

按照标准煤折CO2系数2.7725t/tce计算,减少碳排放为26.67吨二氧化碳/年。

已实施的典型案例情况

案例名称

中国兵器工业第二0四研究所2041801项目 案例地点 陕西西安

主要设备

绿色硅橡胶干式变压器、变压器监测诊断装置

技术原理

本项目共2套SJCB18-1250/10型绿色智能化硅橡胶干式变压器+TMonitor变压器监测诊断装置,变压器采用电工钢带叠铁心结构,高压线圈经绝缘材料包封,高压线圈外绝缘采用高性能硅橡胶提升变压器安全性和可靠性,相间绝缘系统采用固体+空气+固体3重冗余方案设计。绝缘材料应具有耐温冗余设计,线圈外绝缘材料耐温应不低于R级(220℃)。铁心采用高磁感取向硅钢,低压绕组为铜箔,高压绕组为铜线。配套变压器监测装置。变压器监测装置可实现对变压器温度/温升监测、风机自动控制、运行状态监视及数据统计、 供电异常捕捉及故障诊断、损耗电量评估等。

1、节能设计

1) 降低空载损耗

通过固体绝缘的可靠参与,减少不必要的空气距离,缩短磁路长度;采用高牌号铁芯材料等这些措施的应用,可以有效降低变压器空载损耗。

SJCB18低噪声硅橡胶干式变压器选用 B20R070 硅钢材料,性能稳定,取材方便。

2) 降低负载损耗

改善散热条件,如增加硅橡胶导热系数,增加散热气道,采取强迫风冷,就可以降低变压器负载损耗。

SJCB18低噪声硅橡胶干式变压器满足《GB 20052-2020 电力变压器能效限定值及能效等级》一级能效要求。

2、降低噪声设计

干式变压器噪声来源于两个方面:铁心和绕组。

铁心硅钢片的磁滞伸缩引起的噪声。

当绕组中有负载电流通过时,负载电流产生的漏磁引起线圈振动产生噪声。

该项目技术设计的变压器铁心、线圈、硅橡胶材料结构如下图所示:

铁心、线圈和硅橡胶包封材料由内而外分布,硅橡胶材料犹如一个大桶包裹着铁心和线圈,充分利用硅橡胶的弹性特性,可以阻隔铁心和线圈噪声的传递,从而降低变压器噪声水平。

采用该方案后,本项目的SJCB18-1250/10变压器噪声小于50dB。

3、三重冗余绝缘设计

空气绝缘作为干式变压器相间绝缘的主要绝缘介质被广泛应用。空气绝缘的绝缘强度会随着空气质量的优劣而发生变化。例如,粉尘、潮湿、气压等都会影响空气绝缘系统的稳定性。为了减小空气绝缘受环境条件恶化的影响,在设计干式变压器时的通常做法是:将空气绝缘距离加大(相间绝缘距离>25mm),从而保障空气绝缘在收到一定程度的环境影响后依然可以保障变压器安全。

采用固体绝缘作为空气绝缘的后备绝缘,那么必须要求固体绝缘安全可靠。而目前常见的干式变压器采用环氧树脂作为高压线圈的包封材料。环氧树脂是一种优秀的变压器线圈浇注材料,但是,因为其具有易开裂的缺点,所以它在变压器薄绝缘系统中不是一种安全可靠的绝缘材料,不能作为相间空气绝缘的后备绝缘使用。

硅橡胶材料除了具有很好的电气绝缘性能外,还具有弹性不开裂的特点,它是一款安全可靠的固体绝缘材料。因此,硅橡胶包封静音干式变压器采用硅橡胶作为空气绝缘的后备绝缘。在此基础上,可以减小相间空气绝缘的距离(仅考虑散热通道要求)。硅橡胶包封静音干式变压器相间距离设计为20mm。

图中,由一相高压绕组的硅橡胶外包封层、相间气道空气、另一相高压绕组的硅橡胶外包封层构成高压绕组相间冗余绝缘结构。硅橡胶外包封层的设计绝缘强度 Uhp 为:  Uhp =  Ki×Ui  

式中 Ui 为变压器承受的感应试验电压,Ki 为安全系数,Ki=1.5-2。相间气道设计耐压强度 Ugp 在标准大气条件下应满足: Ugp = Ui

同时需考虑工艺误差,适当增加设计余量。

硅橡胶是一种可靠的固体绝缘材料,应用于硅橡胶包封静音干式变压器中,作为相间绝缘系统空气绝缘的后备绝缘防线,可以提高变压器的安全性。在此基础上还可以减小空气绝缘的距离,从而缩短变压器铁轭的长度,减少变压器铁心用料,降低变压器噪声水平。

4、变压器数字化技术创新

SJCB18低噪声硅橡胶干式变压器增加温度、电流和电压传感器,对变压器状态进行分析和统计,提高变压器数字化水平。

变压器数字化是提升变压器管理效率的基础。硅橡胶包封静音干式变压器可以实现对变压器运行状态全面监视、供电质量实时分析、供电量统计及损耗评估,从而提升变压器全寿命周期管理水平。

1) 变压器运行监视及控制

对于干式变压器而言,运行监视和控制包含:电气参数、温度系统和数据统计。变压器绕组温度直接影响绝缘寿命,了解变压器绕组温度情况,保障绝缘系统工作在合适的温度范围,可以延长变压器寿命。变压器监测诊断装置通过预埋在变压器绕组中的温度传感器可以获得三相绕组的实时温度,并对散热系统自动控制,从而控制变压器运行温度,保障变压器运行安全。

电气参数监视涉及:电压、电流、频率、功率因数、功率等。

数据统计涉及:变压器运行时间、年带电时间、负载率、年最大负载、年最大负载利用小时数等。

2) 变压器供电质量监视

配电变压器是为负载提供电能的通道,因此,掌握变压器供电质量对变压器数字化管理是非常必要的。变压器供电质量监视涉及:电压/电流谐波有效值、谐波含量、间谐波、电压暂降和暂升、三相不平衡等。

3) 变压器损耗评估

变压器损耗是评价变压器能效经济性的重要指标,我们通常比较变压器额定损耗值来判断变压器的损耗水平。但是,变压器在运行中的实际负载损耗还受负载率和温度的影响。硅橡胶包封静音干式变压器通过变压器实际运行时间、实时负载率和绕组温度来评估变压器的负载损耗电量。

主要节能技术参数

容量:1250kVA;  能效等级:一级能效(空载损耗1177W,负载损耗8601W);  局部放电:≤5pC;   噪音:≤48dB;

案例特点

该项目为新建项目,项目采用的绿色智能化干式变压器由SJCB18-1250/10硅橡胶变压器本体和TMonitor变压器监测装置组成。满足项目现场变压器绿色化、数字化和智能化需求,并提高了变压器智慧运维和全生命周期管理效率。

应用效果(年节能减排效果及经济效益)

本项目供货的绿色智能化硅橡胶干式变压器SJCB18-1250/10/0.4最大空载损耗1177W,最大负载损耗8601W,按照年平均80%负载率、年运行8760小时计算,与SCB13型环氧树脂变压器对比: 每台变压器年节省电能13461kWh,即4.17吨标准煤/年,减少碳排放11.57吨二氧化碳/年。节能电费收益按照0.6元/kWh计算,每台每年节能电费收益为8077元。

碳减排价值参照美国碳排放综合社会成本51美元/吨,汇率按照7.2计算,本项目2台SJCB18-1250/10/0.4经济效益为24650元/年。按变压器生命周期30年计算,总收益为739500元。

适用范围/应用对象

工业与民用建筑

目前已实施案例数量

约100个项目