非晶合金變壓器是用新型導(dǎo)磁材料——非晶合金來制作鐵心的新型節(jié)能變壓器。它比用硅鋼片作為鐵心的變壓器空載損耗下降70%以上，空載電流下降約80%，是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低的地方。

 

自20世紀(jì)80年代第1臺非晶合金變壓器在美國問世以來，非晶合金材料和非晶合金配電變壓器發(fā)展非常迅速，到目前為止，全世界約有200萬臺非晶合金變壓器在運(yùn)行。

 

 

1  非晶合金材料及干式變壓器的特點(diǎn)

 

非晶合金是一種厚度僅為0.03mm的特殊的軟磁性材料。它是一定比例的合金原料在熔融狀態(tài)下經(jīng)過超急速冷卻（冷卻速度 10^-7℃/S ）而成的帶狀金屬。與冷軋硅鋼片相比，非晶合金材料具有以下特點(diǎn)：①各向同性的軟磁材料；②單位鐵損低，比硅鋼片下降70%~80%；③厚度極薄，僅為0.03mm，填充系數(shù)低；④電阻率高，渦流損耗??；⑤制造工藝大大簡化，節(jié)能，無污染；⑥硬度大，切割要求高；⑦必須進(jìn)行退火處理，易碎；⑧對機(jī)械應(yīng)力敏感，受力后會影響性能。

 

由于非晶合金材料具有損耗極低的特點(diǎn)，特別適合用作配電變壓器的鐵心，以減少其空載損耗。但為了避免非晶合金鐵心因受力而影響其性能，結(jié)構(gòu)上要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，這有別于常規(guī)變壓器。

 

非晶合金變壓器可分為油浸式和干式2種。非晶合金干式變壓器又有環(huán)氧澆注式和敞開式2種型式，以環(huán)氧澆注式為多。

 

非晶合金鐵心為矩形截面，開口式卷鐵心，在一個(gè)軛位有斷口，通過打開斷口套裝繞組，然后閉合斷口。鐵心一般為三相四框五柱結(jié)構(gòu)。高低壓繞組相應(yīng)做成矩形，低壓一般為箔繞式，高壓為線繞式，環(huán)氧樹脂澆注。非晶合金干式變壓器是一種新型的低損耗干式變壓器，由于承繼了傳統(tǒng)干式變壓器難燃阻燃、可靠性高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此非晶合金干式變壓器在配電變壓器市場有著廣闊的發(fā)展前景。

 

2  非晶合金干式變壓器設(shè)計(jì)與工藝要求

 

2.1  磁密選取

 

磁密設(shè)計(jì)對于非晶合金干式變壓器的成本、性能、噪聲等級都有決定性的作用，是非晶變壓器設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的參數(shù)。由于非晶合金材料的特殊性，其飽和磁密小于1.5T，遠(yuǎn)低于冷軋硅鋼片的飽和磁密（約為2.0T）。且非晶合金飽和后損耗和發(fā)熱十分嚴(yán)重，有被單方向磁化的可能。因此在電磁設(shè)計(jì)中，工作磁密必須合理選取。另外，變壓器的噪聲主要來源于鐵心材料的磁致伸縮引起的鐵心振動，非晶合金的磁致伸縮程度比硅鋼片高10%左右。為了降低噪聲，非晶合金鐵心必須取得與冷軋硅鋼片鐵心相同或相近的磁致伸縮，因此，非晶合金干式變壓器所選取的工作磁密就要求低于冷軋硅鋼片。非晶合金鐵心的截面相應(yīng)增大約50%，鐵心質(zhì)量增加約40%，這在一定程度上使變壓器噪聲及成本增加。

 

經(jīng)研究表明，磁密每升高0.05T，其空載噪聲約增加2dB，如果制成變壓器成品，噪聲可增加3dB左右。因此，選擇適當(dāng)?shù)拇琶苁窃O(shè)計(jì)非晶合金干式變壓器的關(guān)鍵，既要考慮磁密對噪聲的影響，也要兼顧磁密對材料成本的制約，在符合噪聲要求的前提下盡量減少鐵心用量。根據(jù)目前非晶合金干式變壓器的制造經(jīng)驗(yàn)和制造水平，鐵心工作磁密選取在1.3以下較為適合，但必須和企業(yè)自身的工藝水平結(jié)合起來綜合考慮。

 

2.2  工藝系數(shù)

 

除單位損耗W/kg外，非晶合金鐵心設(shè)計(jì)的另外一個(gè)重要的參數(shù)就是單位磁化容量VA/kg，降低非晶鐵心的單位磁化容量VA/kg也可達(dá)到降噪的目的。由于非晶鐵心單位磁化容量VA/kg與單位損耗W/kg存在制約關(guān)系，要獲得較低的單位磁化容量VA/kg，就要結(jié)合企業(yè)的工藝水平來確定。在變壓器制造過程中，4個(gè)或8個(gè)鐵心框與繞組裝配時(shí)，需要打開開口接縫、套裝繞組和再連接接縫等。這些使鐵心受力的操作會導(dǎo)致裝配后損耗和噪聲比裸鐵心時(shí)有所增加。設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮這個(gè)增加值，即工藝系數(shù)，它和鐵心與繞制的組合裝配方式以及工裝水平等諸多因素有關(guān)，企業(yè)的裝配工裝先進(jìn)，裝配水平高，工藝系數(shù)就低，空載損耗較低。通過選取較高的單位損耗W/kg來獲得較低的單位磁化容量VA/kg，即在滿足空載損耗符合要求的前提下，把多余的“損耗性能”轉(zhuǎn)化成“磁化性能”，從而到達(dá)降低噪聲的目的。只有經(jīng)過長時(shí)間的探索和制造，才能獲得與企業(yè)自身相符的準(zhǔn)確的工藝系數(shù)。

 

2.3  矩形繞組

 

根據(jù)非晶合金變壓器的特殊要求，必須采取矩形繞組。矩形繞組與常規(guī)圓形繞組從設(shè)計(jì)、工藝制造上都有較大區(qū)別。由于導(dǎo)線對矩形模具的帖服性較圓形繞組差，要控制好矩形繞組的徑向尺寸。設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)采選取合適的繞制裕度，工藝上采用夾具整型，矩形繞組的徑向尺寸得到很好的控制。

 

2.4  聯(lián)接組選擇

 

由于非晶合金鐵心采用三相四框五柱式，為避免3次諧波在,，個(gè)旁柱上形成回路，聯(lián)接組采用Dyn11。

 

2.5  工藝控制

 

工藝控制是設(shè)計(jì)與制造非晶合金干變過程中的一個(gè)不可忽視的因素。目前，對于非晶合金干式變壓器三相 五柱式的裝配設(shè)計(jì)主要有2種裝配方式：倒裝式和平裝式。裝配的方式影響非晶合金鐵心接縫的質(zhì)量，而鐵心接縫的質(zhì)量會直接影響產(chǎn)品的噪聲。一般來說，平裝式對于非晶卷鐵心開口損壞最小，接縫質(zhì)量最好，有效的避免碎片落入繞組內(nèi)，但相對的工藝要求更高。

 

非晶合金鐵心開口接縫的處理一般遵循以下原則：①搭接長度12~16mm，不得小于8mm；②搭接面平整，無毛刺、尖角；③搭接后可用特殊膠水（3M膠水）或耐高溫膠封堵，以防止鐵心碎片產(chǎn)生和減小接縫處的震動。

 

2.6  機(jī)械強(qiáng)度

 

非晶合金干式變壓器結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的干式變壓器差異較大，由于非晶合金材料的特殊性，受外加應(yīng)力后，損耗會增加60%左右，噪聲也隨之增大，嚴(yán)重影響性能。因此，必須保證非晶合金鐵心不受外加應(yīng)力。為了不讓鐵心過于受力，鐵心懸掛在繞組上，鐵心只承受自身的質(zhì)量，沒有其他的壓緊力。結(jié)構(gòu)上，器身上下左右采用 ? 形彎板結(jié)構(gòu)的夾件裝配結(jié)構(gòu)，繞組和鐵心由結(jié)構(gòu)件支撐。所以，上下夾件的承受強(qiáng)度成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

 

通過力學(xué)分析，合理選取夾件的折彎板厚度及折彎尺寸，保證夾件承受的最大應(yīng)力

小于夾件鋼材的許用應(yīng)力。

 

2.7  抗短路能力

 

由于非晶合金鐵心不能受外力，所以結(jié)構(gòu)上的特殊性決定了非晶合金干式變壓器的受力不如傳統(tǒng)的變壓器好。所以，突發(fā)短路承受試驗(yàn)成了非晶合金干式變壓器的生產(chǎn)制造及銷售推廣的技術(shù)“門檻”。

 

由于非晶合金帶材的特殊性決定了非晶合金變壓器鐵心選擇矩形截面，從成本和絕緣距離的角度考慮，高低壓繞組也設(shè)計(jì)成矩形。當(dāng)變壓器發(fā)生短路時(shí)，承受短路電動力時(shí)高壓繞組徑向向外、低壓繞組徑向向內(nèi)的排斥力。矩形繞組的受力不及圓形繞組均勻，承受短路電動力時(shí)容易受力變形。另外，非晶合金干式變壓器結(jié)構(gòu)的特殊性，不是采用將鐵心作為主承重結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，而是繞組軸向承重結(jié)構(gòu)。這樣，矩形繞組的軸向和徑向所承受短路電動力的考驗(yàn)要比圓形繞組嚴(yán)酷。

 

由于繞組軸向通過墊塊壓緊在上下夾件間，高壓繞組為環(huán)氧樹脂澆注剛體結(jié)構(gòu)，足以承受鐵心質(zhì)量和短路時(shí)產(chǎn)生的軸向電動力，軸向電動力的計(jì)算與驗(yàn)證與圓形繞組相同。低壓繞組為銅箔繞制，烘爐固化，其剛性不如樹脂澆注。因此，矩形截面的箔繞低壓繞組承受短路時(shí)向內(nèi)收縮的徑向電動力成了非晶合金干式變壓器承受短路時(shí)的最嚴(yán)酷點(diǎn)。

 

非晶合金干式變壓器繞組承受徑向短路電動力在結(jié)構(gòu)及受力狀況上與圓形繞組差異較大，不能用圓形繞組的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和驗(yàn)證?？梢詰?yīng)用結(jié)構(gòu)仿真分析軟件對矩形結(jié)構(gòu)的繞組進(jìn)行有限元分析，可以得出矩形繞組在承受短路電動力時(shí)，長邊方向的徑向變形最為嚴(yán)重。因此，在矩形繞組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量接近正方形，這種情況下受力變形最小。在裝配過程中，可以在長寬方向加墊支撐物塊以增強(qiáng)其強(qiáng)度。

 

3  經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

 

我國是世界上能源消費(fèi)增長最快的國家，同時(shí)也是能源緊缺國家，節(jié)能是我國建設(shè)節(jié)約型社會的一項(xiàng)必不可少的國策。為滿足社會可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的需要，國家發(fā)展和改革委員會已將非晶合金變壓器列為重點(diǎn)推廣節(jié)電產(chǎn)品。當(dāng)前對非晶合金變壓器經(jīng)濟(jì)性分析有很多方法，分析的角度也不盡相同。根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 985—2005《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)導(dǎo)則》提供的配電變壓器能效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算方法中提出的總擁有費(fèi)用法TOC（Total Owning Cost）的概念，能夠全面、充分表達(dá)所購變壓器的綜合費(fèi)用，它綜合了變壓器的初始費(fèi)用和等價(jià)現(xiàn)值的損耗費(fèi)用。

 

 

式中為配電變壓器的綜合能效費(fèi)用，元；CI為配電變壓器設(shè)備初始費(fèi)用，元；Po為變壓器額定空載損耗，kW；Pk為變壓器額定負(fù)載損耗，kW；A為單位

空載損耗的等效初始費(fèi)用，元/kW；B為單位負(fù)載損耗的等效初始費(fèi)用，元/kW。

 

以機(jī)械企業(yè)為例，假設(shè)使用年限20年，貼現(xiàn)率為8%，年帶電時(shí)間為8760h，單位月容量費(fèi)用為20元/kW，電量電費(fèi)為0.65元/kW，年最大負(fù)載時(shí)間為5500h，負(fù)載率為0.75，則

 

 

以315kVA為例，對SCBH15型非晶合金干式變壓器與SCB9型普通干式變壓器的性能比較情況見表1。

 

 

 

與SCB9型普通干式變壓器相比，同等規(guī)格的SCBH15型非晶合金干式變壓器的價(jià)格要高出約20000元（參考價(jià)）。由此可計(jì)算出兩者的TOC值差值

 

 

在壽命期內(nèi)，使用非晶合金干式變壓器替換同規(guī)格普通干式變壓器，可節(jié)約費(fèi)用19170元。而一般干式變壓器的運(yùn)行壽命為30年，經(jīng)濟(jì)效果更好。綜合所述，非晶合金干式變壓器經(jīng)濟(jì)性顯著。

 

在能源日益緊張的今天，人們會更加重視能源的節(jié)約和合理使用。“十一五”期間，我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要目標(biāo)之一是單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%左右。前不久，國家發(fā)展和改革委員會制定的中長期節(jié)能規(guī)劃中規(guī)定，從2006年起要在用電設(shè)備上推行強(qiáng)制的能效標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能認(rèn)證與能效標(biāo)示等措施，這表明節(jié)能工作已經(jīng)刻不容緩。

 

目前我國輸配電損耗占電力產(chǎn)量的比重高達(dá)7%，這種狀況使電力利用率降低，造成巨大的電力浪費(fèi)。提高輸配電設(shè)備的運(yùn)行效率，降低變壓器損耗已成節(jié)能工作的當(dāng)務(wù)之急。配電變壓器作為電力傳輸系統(tǒng)的重要設(shè)備，由于使用量大、運(yùn)行時(shí)間長，具有很大的節(jié)能潛力。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的擴(kuò)張，近年來配電變壓器的需求量和產(chǎn)量有較大增長。在我國，配電變壓器的生產(chǎn)企業(yè)有1000多家，年產(chǎn)量已達(dá)5000萬kVA左右，占全部變壓器年產(chǎn)量的1/3左右。近年來全國電力負(fù)荷年增長10%以上，相當(dāng)于每年新增約37萬臺315kVA配電變壓器，若全部采用節(jié)能的非晶合金變壓器，一年可節(jié)省電量24.6億kWh，超過秦山核電站2003年全年發(fā)電量。 如將這些電量折算成能耗和廢氣排放，相當(dāng)于每年減少煤耗101萬t，減少二氧化碳排放203萬t。非晶合金變壓器是名副其實(shí)的“節(jié)能先鋒”。