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非晶合金铁心配电变压器的分析 |
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| 非晶合金铁心配电变压器的分析 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 14:26:47  |
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摘要： 分析非晶合金配电变压器的铁心结构、空载损耗、噪声、抗短路能力、技术经济性等问题。文章认为，非晶合金配电变压器节能效果显著，经济性好、应推广应用。文章还建议采用外国的一些优惠政策，以鼓励发展，推广我国的非晶合金配电变压器；应尽快采取措施，着力解决一些地方存在的招投标不规范和地方保护的问题，杜绝劣质产品混入电网。
关键词： 配用电系统；变压器；非晶合金铁心变压器；空载损耗；噪声；抗短路能力
0 引言
我国自1998年开始进行大规模城乡电网建设与改造以来，采取推行S9型节能配电变压器、停止生产S7型和淘汰电网中“64”和“73”系列高耗能变压器等措施，对降低电网线损起到了积极作用。据统计，全国线损率从1996年的8.52％下降到2004年的7.59％。但与先进国家相比仍高出1.5～2个百分点，相当于每年多损耗150亿～200亿kWh电量。可见降耗任务很重，潜力也相当大。国家发展和改革委员会与科技部于2005年共同组织起草了《中国节能技术政策大纲》（征求意见稿），明确指出：“推广生产和应用S11型及非晶合金铁心型低损耗变压器、低能耗导线、金具等节能型配电设备及附件。2010年前，淘汰电网在役的S7型及‘73’、‘64’型高耗能变压器设备”。非晶合金配电变压器作为节能效果十分明显的配电技术和设备，近年正逐渐地被制造厂和广大用户所接受。
1 非晶合金铁心
（1） 非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.025mm，不到常用硅钢片的1/10；叠片系数较低，只有0.86；带材有142、170、213mm
3种宽度。
（2） 非晶合金的饱和磁通密度较低，单相变压器一般取1.3～1.4T，三相变压器一般取1.25～1.35T，因此，产品设计受到材料的限制。
（3） 非晶合金的硬度较大，是取向硅钢片的5倍，因此，加工剪切很困难，对设备、刀具要求较高。一般是对边缘剪切处进行加温从而获得良好的剪切面，心柱由同一宽度的非晶合金带卷制而成，故铁心截面呈长方形，相应的高、低压绕组均为矩形。
（4） 非晶合金在成材过程中急速冷却和卷绕铁心时会产生应力，为了获得良好的损耗特性，非晶合金铁心成型后必须在一定的磁场条件下进行退火处理。其退火工艺比较复杂，要求较高。
（5） 非晶合金铁心材料退火之后的脆性（易产生碎屑）也是设计制造时需关注的问题，需要采取一定的工艺措施。
（6） 非晶合金铁心材料对机械应力非常敏感，无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能，所以，铁心的损耗会随着压力的增大而增加。这需要在器身结构设计方案中予以充分考虑。
（7） 单相非晶合金铁心变压器的铁心结构一般为“框”形，如图1所示；三相变压器的结构则由4个“框”合并成类似的三相五柱式结构，如图2所示；容量较大时，则采用8个铁心框叠放在一起的结构。
图1 单相非晶合金铁心结构示意图
图2 三相非晶合金铁心结构示意图
2 非晶合金铁心变压器运行后的空载损耗
非晶合金片磁滞损耗和涡流损耗都明显低于取向硅钢片，因此非晶合金铁心配电变压器的空载损耗只有S11型配电变压器空载损耗的40％，甚至更少［1］。但也有人认为，运行后的非晶合金铁心变压器的空载损耗会呈增加趋势。
此问题早在开发非晶合金变压器期间已经有所考虑。1982年，第一台非晶合金铁心变压器在美国挂网运行；1983年，美国电力研究院（EPRI）、GE公司及纽约州电力公司曾考虑到了这一问题，并于1985年，将已制成的1
000台25、15kVA柱上变压器送到90个EPRI成员单位进行为期2年的现场试验。现场试验的测试数据表明，运行2年后其空载电流和空载损耗与交付试验时的极为接近［1］。
日本东京电力公司、Takao电气公司和日立电气公司对非晶合金变压器的长期可靠性做了深入细致地研究。他们从1991年起对不同容量的200台非晶变压器进行了加速老化、现场运行、短路、冲击等试验，还进行了负荷和振动对变压器空载特性的影响测试。研究结果表明，在30年寿命期内，其空载特性是稳定的，运行是可靠的［2］。
我国对此问题亦有研究。1995年，作为非晶合金配电变压器试运行单位的甘肃省天水市北道区电力局，根据冶金部、电力部关于攻关试验项目试验测试的规定要求，对10台挂网运行2个月的非晶合金变压器进行了测试，测试结果与运行前的测试值是相一致的［3］。
铁心材料被制作成形铁心后已经过了约400℃高温的退火处理，这对于正常运行温度、短路热稳定温度都已是足够高的了，所以不必担心材质会在30年寿命期内因温度而发生变化。因此，非晶合金变压器不存在空载损耗在运行中会有所增加的可能。
3 非晶合金变压器噪声
研究表明，铁心片的磁滞伸缩现象是产生变压器噪声的主要原因，这与铁心的尺寸和磁通密度有关系。在同一磁通密度下的磁滞伸缩程度，非晶合金的这一指标比传统晶粒取向冷轧硅钢片高约10%。但是，冷轧硅钢片的饱和磁通密度较高，约为2.03T，而非晶合金的饱和磁通密度较低，约为1.5T。因为非晶合金铁心变压器的额定工作磁通密度（1.25～1.35T）要比冷轧硅钢片铁心变压器的额定工作磁通密度（1.63～1.73T）低得多，因而二者的实际磁滞伸缩是接近的。
但是，非晶合金铁心变压器与同规格传统铁心变压器相比，其铁心质量大40%左右，有效截面积大50％以上，这在一定程度上会使变压器噪声增大。
另外，铁心自身结构和制造工艺对噪声也有一定的影响。非晶合金铁心表面涂覆有环氧树脂，如果树脂涂覆不好或由于树脂质量差或调配比例不当而引起树脂脱落，或者接缝叠装不整齐等都会增加变压器噪声。因此在产品设计中有必要对铁心和器身采取接缝涂漆、加消音垫等减振措施。
所以，非晶合金铁心变压器的声级很难控制。在行业标准JB/T 10088—2004《6～500kV级电力变压器声级》中也指出：“本标准规定的声级限值不适用于非晶合金铁心变压器，非晶合金铁心变压器的声级限值由制造单位与用户协商确定。”然而其噪声并不是不可以控制的，在现有技术条件下，若在非晶合金变压器设计、工艺、制造、使用过程中多加注意，精心控制，则非晶合金铁心变压器也可达到传统铁心变压器的声级水平。但对于噪声要求较严格的场所，建议慎重考虑。
4 联结组
由于三相非晶合金配电变压器采用三相四框五柱式铁心结构，每个相绕组套在磁路独立、相邻的两框上。每个框内的磁通除基波磁通外，还有3次谐波磁通，3次谐波磁通占基波正弦波磁通的百分数则与运行时额定磁通密度选用值有关。1个绕组的2个铁心框内的3次谐波磁通在相位上正好相反，数值上相等，因此每1组绕组内的3次谐波的磁通相量和为零。
当变压器高压绕组采用D联结时，3次谐波电流在高压绕组三角形内构成回路，在感应出的二次侧电压波形上就不会有3次谐波电压分量。当然，每个框内的空载损耗还是会受到各自框内2次谐波磁通的影响，因而其联结组一般采用Dyn联结。用户在选用产品时应注意这一点。
5 抗短路能力
上文已介绍非晶合金铁心的损耗会随着压力的增大而迅速上升。一旦变压器发生短路，所产生的冲击性电动力如果直接作用于非晶合金铁心，铁心是无法承受的。因此，在器身结构上，不能采用将铁心作为主承重结构件的传统设计方案，低压绕组应自保持，一般将低压绕组绕在硬筒上，将高压绕组直接套绕在低压绕组上，装配时将绕组支撑在单独的绕组支撑系统上并压紧固定，这样可使铁心不受压力，减少了变压器短路时径向的内缩或外扩，从而有效地确保了变压器的抗短路能力。这种结构已通过实际短路承受能力试验证明。
6 产品的技术经济性
非晶合金变压器的节能效果已经得到广泛的认可，其技术经济性方面的论证已见诸报道。在目前市场状况下，通过对SH15型三相油浸式非晶合金铁心配电变压器与S11型三相油浸式配电变压器经济性的分析比较，就投资回收期而言，非晶合金铁心配电变压器在4年多时间里节约的电费就可以补回投资差额，之后用户便可长期受益［1］。
7 应用与发展
推广应用非晶合金铁心变压器不仅有良好的节能效益，而且还有环保效益。节能相当于减少发电量或少建火力发电厂，从而减少了发电厂排放的CO2、SO2和氮氧化物等。
非晶合金铁心配电变压器在国外早已使用并取得了成功经验。美国有100多万台非晶合金铁心配电变压器挂网运行；日本已有35万台在运行，目前世界上最大的5
000kVA的非晶合金变压器也在运行；欧盟国家也有应用；亚洲的印度、孟加拉国、韩国、泰国等国家都有非晶合金变压器制造厂。我国从20世纪90年代初开始生产和应用非晶合金变压器，但发展较为缓慢，推广的效果不很理想。
三相油浸式非晶合金铁心配电变压器与S11型三相油浸式配电变压器相比，其有效材料消耗较大，制造耗费工时较多，因而成本较高。按目前材料价格计，前者的价格约为后者的1.3倍。这一价格与前些年相比，供需双方还是可以接受的，这就有利于大范围推广应用。另外，采购变压器不能只看价格，应对总费用（TOC）进行评估，看其在寿命期内的总成本是否最低。这也是国际上通用的方法。2005年6月，国家电网公司农电工作部在组织讨论非晶合金变压器标准时，已将此方法作为该标准的附录。
目前，除油浸式非晶合金铁心配电变压器外，根据市场和用户需要，又推出了多种非晶合金铁心变压器类产品：非晶合金铁心干式变压器、非晶合金铁心地下式变压器、高燃点油非晶合金铁心变压器、非晶合金铁心组合式变压器（即美式箱变）、预装式非晶合金变电站（即欧式箱变）等等，其应用范围越来越广。
8 结论
（1） 非晶合金铁心配电变压器节能效果显著，经济性能良好，较S9、S11型变压器多投资的部分均可以在政策规定的年限内收回。如一次性投资到位，可避免短期内的重复投资。推广应用非晶合金配电变压器符合节约能源的国家政策导向，产品制造技术已基本成熟，产品可靠性有保障，完全可以满足用户需要，可以大范围推广应用。
（2） 根据当前情况，国家除进行规划引导外，宜尽快完善节能产品标准，规范管理办法，出台鼓励使用非晶合金变压器的具体优惠政策。如：借鉴外国政府对节能项目采取的鼓励科研、生产补贴、减免税或退税、购买节能产品有投资补贴、低息贷款等优惠政策，加大节能产业的财政、信贷扶持力度。
（3） 由于非晶合金铁心加工制造过程较为特殊，也比较复杂，宜采用专业集中的规模生产模式，以利于质量的控制与保障。变压器制造厂可以根据自己的要求定购，只利用成型铁心制造非晶合金变压器。
（4） 用户要正确看待非晶合金配电变压器的空载损耗、噪声、联结组、制造技术等方面的问题。在选用产品时，要综合考虑制造厂的制造水平、质量保障实力和售后服务等因素，切不可单以价格为选择产品的依据。
（5） 目前，国内制造非晶合金变压器厂家在生产规模、生产条件、工艺水平等方面存在较大差别。由于某些地方存在招投标市场不规范和地方保护等问题，可能造成一些规模小、质量差的企业的产品进入市场。因此建议尽快采取措施，改变这种局面，防止在推广过程中，劣质产品混入电网。
9 参考文献
［1］ 郑国培，刘忠，陈星，等SH15非晶合金铁心配电变压器的技术经济分析变压器， 2005，（6）
［2］ 陈玉国，马效坤，张永胜，等非晶合金铁心变压器的研究与发展概述 农村电气化， 2001，（2）
［3］ 朱永晖非晶合金变压器挂网运行试验节点效果的分析农村电气化，1999，（5）
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