非晶合金變壓器的節(jié)能技術(shù)

上海置信電氣股份有限公司

1 非晶合金技術(shù)

每一項新產(chǎn)品的誕生離不開新材料的誕生。非晶合金變壓器亦如是。

1971年美國聯(lián)信公司研制出牌號為金屬玻璃的薄鋼帶，簡稱非晶合金帶材，主要以78%-81%鐵、13.5%硼、3.5-8%硅，并加人少量鎳、鉆等多種金屬元素合成，當(dāng)時僅能做成20-30 mm寬帶的形材?，F(xiàn)主要有142.2mm，170.2mm和213.4mm這三種帶寬。目前聯(lián)信公司已把該項技術(shù)轉(zhuǎn)讓給日本日立公司。

非晶合金帶材的加工工藝主要有5個步驟，見圖1。雖然步驟少，但在噴鑄過程中需每秒百萬度的冷卻速率，依靠此工藝來確保金屬來不及結(jié)晶，形成非晶體結(jié)構(gòu)，因此稱作非晶合金帶材。此帶材最顯著的特點就是大大降低了鐵芯的損耗。

圖1 非晶合金帶材生產(chǎn)工藝流程圖

非晶合金帶材與硅鋼片物理性能對比見表1。從表1中可看到，非晶合金帶材非常薄，僅有0.027mm左右，是普通硅鋼片的1/10，而鐵芯損耗主要由渦流損耗和磁滯損耗組成。渦流損耗與鐵芯帶材的厚度成正比，而磁滯損耗是鐵芯在勵磁過程中的反作用力，與材料磁滯回線面積成正比。

非晶合金帶材的誕生對于變壓器行業(yè)來說是一次巨大的震動。1978年美國GE公司開始研制非晶合金變壓器。1982年美國能源部撥款800萬美元給GE、EPPI、ESEER公司，并制造了第一臺15kVA單相非晶合金變壓器。至今發(fā)展只有短短三十年，但發(fā)展非常迅速。

表1 非晶合金帶材與硅鋼片物理性能對比

2 引進(jìn)吸收

基于非晶合金變壓器的優(yōu)點，國內(nèi)于1985年開始研制開發(fā)非晶合金變，也試制成功了幾臺非晶合金變壓器，但由于工藝落后，產(chǎn)品質(zhì)量有待提高，因此一直得不到長足的發(fā)展。

上海置信在1998年與美國GE公司簽訂了技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，引進(jìn)了非晶合金變壓器設(shè)計和加工工藝技術(shù)，并不斷改進(jìn)、完善，經(jīng)過十年的努力，非晶合金變壓器的優(yōu)勢得到了用戶的認(rèn)可，取得了飛速的發(fā)展。2010年，上海置信參與編制了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25446-2010《油浸式非晶合金鐵心配電變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》和GB/T 22072-2010《干式非晶合金鐵心配電變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》。置信公司年生產(chǎn)能力從2000臺發(fā)展至4萬臺，通過引進(jìn)、吸收、自主開發(fā)，形成了非晶合金油浸變，非晶合金干變，非晶合金地下變，非晶合金組合式變壓器，非晶合金歐變等7大品種，已獲國家授權(quán)專利103項，其中發(fā)明專利17項。

目前置信公司是國內(nèi)公認(rèn)的最專業(yè)、最大的非晶合金變壓器生產(chǎn)企業(yè)，“置信”品牌成為國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司、全國重點工程和大中型企業(yè)采購非晶合金變壓器的首選品牌。在北京奧運(yùn)會、上海世博會、上海虹橋樞紐等重大工程中均有上海置信非晶合金變壓器的身影。

3 節(jié)能效益

為什么非晶合金變壓器會取得這么大的發(fā)展？毫無疑問是非晶合金變壓器的節(jié)能效益。

變壓器在運(yùn)行過程中有兩大損耗：空載損耗和負(fù)載損耗。變壓器空載損耗俗稱鐵芯損耗，變壓器投運(yùn)后即一直存在，除非停電檢修，而此損耗值基本不變。變壓器負(fù)載損耗俗稱繞組損耗，主要是由電阻損耗和漏磁場引起的雜散損耗組成，與變壓器電流的平方成正比。上述損耗量值可通過相應(yīng)試驗得到，試驗過程中我們還可以得到另兩個重要參數(shù)，分別是空載電流和短路阻抗，這兩個參數(shù)基本可近似看作是空載和負(fù)載時的無功損耗。雖然無功損耗的過程是從電網(wǎng)吸收能量暫存起來，再還給電網(wǎng)，好象沒有損失，但這部分無用功會增加電網(wǎng)容量，影響線路損耗，同樣不容忽視。

我們衡量變壓器的節(jié)能效益主要是兩方面，一方面是經(jīng)濟(jì)效益，目前通用的計算稱為“總擁有費用法（TOC）”。其公式如下：

式中TOC：總擁有費用(元)

C：變壓器售價(元)

A：變壓器壽命期間空載損耗每千瓦資本費用(元/kW)

B：變壓器壽命期間負(fù)載損耗每千瓦資本費用(元/kW)

P0：空載損耗；Pk：負(fù)載損耗；Sn：額定容量

k1：無功功率經(jīng)濟(jì)當(dāng)量

Z：短路阻抗無功分量(%)，一般計總阻抗

I0：空載電流無功分量(%)，一般計總空載電流

式中k2：計及利率和通貨膨脹的現(xiàn)值系數(shù)

E：電費(元/kWh)

h1：年空載運(yùn)行小時數(shù)(h)

h2：折算至計算容量時的年負(fù)載運(yùn)行小時數(shù)(h)；

PL：負(fù)載系數(shù)（計算容量/額定容量）；

β：根據(jù)年總負(fù)載損耗折算的年平均負(fù)載率

式中a：年通貨膨脹率(%)；

i：年利率(%)；

n：使用年限（年）

公式（1）分為兩部分，一部分是售價，也就是變壓器成本，另一部分就是變壓器使用壽命期內(nèi)總的運(yùn)行損耗的費用折算至現(xiàn)在。假設(shè)，i=7%，n=20年，a=0%（一般銀行的貸款利率已考慮通貨膨脹率），則現(xiàn)值系數(shù)k2=10.59，也就是說20年總的運(yùn)行損耗費用相當(dāng)于現(xiàn)在一年的10.59倍。實際上，k2與n的計算公式也是回收年限的計算公式，假設(shè)變壓器售價相差8萬，每年運(yùn)行損耗費用可節(jié)省2萬，則現(xiàn)值系數(shù)為k2=8/2=4，回收年限n=4.86（i，a同上）。非晶合金變壓器與部分硅鋼片變壓器節(jié)能對比見表2。

除了經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能的另一方面是巨大的社會效益。假設(shè)現(xiàn)有12萬臺500kVA非晶合金變壓器替代老舊的S7型硅鋼片變壓器，每年可節(jié)約18.16億kWh電量，以3.16克/kWh標(biāo)準(zhǔn)煤計，可節(jié)約57.4萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，少排放143.5萬噸CO2。同時，國家可以少建相應(yīng)的發(fā)電廠，也降低了發(fā)電線路的損耗。因此國家鼓勵企業(yè)使用節(jié)能產(chǎn)品，并予以相應(yīng)補(bǔ)助，使得社會與企業(yè)共享這部分效益。

4 非晶合金變壓器的發(fā)展

正因為用戶的認(rèn)可和國家政策的利好，非晶合金變壓器才取得了很大的發(fā)展。

表2 非晶合金變壓器與部分硅鋼片變壓器節(jié)能對比

但“一陰一陽之謂道”，對于一個產(chǎn)品來說也是如此，沒有絕對的好，也沒有絕對的壞。非晶合金變壓器節(jié)能效果是顯著的，但它也有不足之處，所以我們利用它節(jié)能的一面，同時又要克服它的缺點。

首先，非晶合金帶材磁飽和密度只有1.54T，因此相對于硅鋼片變壓器來說，非晶合金鐵芯截面大，用量也大，變壓器成本一般是硅鋼片的1.3倍。目前這一差距用戶可以接受，如果成本差距再拉大，從回收年限來說用戶可能無法接受，但總擁有費用還是低的。對于能源日漸短缺的社會，我們認(rèn)為節(jié)能產(chǎn)品能在產(chǎn)品使用年限中能最終收回投資，對國家、社會還是有利的，實際上對企業(yè)也是有利的，因為唇齒相依。當(dāng)然作為非晶合金變壓器生產(chǎn)企業(yè)在保證質(zhì)量的前提下應(yīng)努力降低成本。

其次，非晶合金帶材太薄，較脆，無法承受較大的壓力，因此非晶合金變壓器裝配過程十分關(guān)鍵，而且鐵芯為矩形截面，相對于圓形來說，承受短路能力略差，所以非晶合金變壓器在設(shè)計和加工過程尤其需要注意，如低壓采用箔繞，層間能固化成整體等。

另外，非晶合金帶材的磁致伸縮大于硅鋼片，總體來說非晶合金變壓器噪聲要大于硅鋼片變壓器。因此如何降低非晶合金變壓器的噪聲是我們需要不斷深入的課題，雖然通過十多年的努力，置信公司500kVA及以下變壓器完全可以做到45dB以下。

我們對非晶合金變壓器的市場前景充滿信心，但需要所有生產(chǎn)企業(yè)同心協(xié)力，共同克服非晶合金變壓器的不足之處，做好產(chǎn)品質(zhì)量，使之滿足用戶要求，才能維系住這來之不易的市場。