探討我國非晶合金變壓器存在問題及應對措施

機械工業(yè)北京電工技術經濟研究所 李曉靜 崔鶴松 郭振巖

0 引言

20世紀80年代，我國變壓器行業(yè)的一些研究人員開始對一種叫Amorphous Metal的新型導磁材料產生了興趣，并用中文稱之為非晶合金。主要是因為它的空載性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的用于變壓器鐵心材料的冷軋取向硅鋼片。用非晶合金材料制造的變壓器與傳統(tǒng)硅鋼材料制造的變壓器相比，節(jié)能效果更加顯著，并具運行成本低等特點，特別適用于于農村電網和發(fā)展中地區(qū)等配電變壓器負載率較低的區(qū)域。

1 非晶合金與冷軋取向硅鋼材料特性比較

非晶合金是一種優(yōu)良的軟磁材料，可應用于變壓器上，代替冷軋取向硅鋼材料，可大大減少能量損耗。非晶合金與冷軋取向硅鋼材料的特性比較見下表。

表 非晶合金與冷軋取向硅鋼材料特性比較

由上表及其他研究資料得知，非晶合金與傳統(tǒng)導磁材料——冷軋取向硅鋼材料相比，既有優(yōu)點，又有缺點。其主要優(yōu)點為：

1）非晶合金帶材的厚度比冷軋取向硅鋼片的厚度低一個數(shù)量級，電阻率比冷軋硅鋼高2～3倍，有利于減少渦流損耗。因此用非晶合金制成的鐵心，它的渦流損耗比冷軋取向硅鋼片制成的鐵心要小很多。

2）非晶合金材料的單位鐵損低于硅鋼材料，矯頑力又是冷軋取向硅鋼片的1/7左右。由于非晶合金材料是各向同性的軟磁材料，不存在晶體結構，因此具有高導磁率，矯頑力小等特點。

3）制造工藝簡單并節(jié)能環(huán)保。傳統(tǒng)的冷軋取向硅鋼片，從煉鋼、澆鑄、鋼錠精軋、剪切到成品，經歷十多個環(huán)節(jié)，工藝繁雜，耗能高且污染環(huán)境。而非晶合金帶材的制造是在煉鋼之后直接噴帶，僅需一步就制造出帶材成品，工藝簡單，節(jié)約能源，并且制造過程無污染排放，實現(xiàn)了綠色制造。

其主要缺點為：

1）非晶合金的飽和磁感應強度比冷軋取向硅鋼片低，采用非晶合金鐵心的變壓器比冷軋取向硅鋼片變壓器體積大，導致了耗材多，成本高。

2）非晶合金材料的硬度約是硅鋼材料的近5倍，且脆性大，常溫下剪切，邊緣易出現(xiàn)碎裂、變形和起層現(xiàn)象。

3）非晶合金會產生磁致伸縮，會直接影響非晶合金變壓器噪聲水平。

為了驗證非晶合金材料在變壓器產品上的應用效果，我國研究人員經歷了一段漫長的研究過程。在研究初期，由于對非晶帶材性能了解不夠，所以采用了與硅鋼鐵心類似的結構方式，進行相應的裁剪、疊積、夾緊、套裝等，不僅達不到資料上介紹的節(jié)能效果，甚至遠遠劣于硅鋼變壓器的性能。與此同時，合金材料科研人員也在致力于非晶合金材料的研究，成功試制出窄帶材料，雖然各項性能與進口產品相比還有很大的差距，但在微電子產品上已經開始試應用。

2 非晶合金變壓器的推廣使用

我國政府非常重視非晶合金變壓器的應用。在20世紀80年代中后期，我國就開展了非晶合金變壓器的研制工作，由于受到國內非晶合金材料的材質、帶寬、價格及加工設備等因素的影響，進展比較緩慢。在20世紀90年代初期，美國聯(lián)信（Allied Signal）公司為在中國推銷其生產的非晶帶材，與國家相關部委與有關單位進行了多方溝通。1994年，國家經貿委、國家計委、國家科委、電力部、機械部、冶金部（簡稱“三委三部”）聯(lián)合成立了“促進非晶配電變壓器在中國應用”工作小組。 根據(jù)“三委三部”工作小組的決定，由沈陽變壓器研究所進行非晶合金變壓器的樣機圖紙設計，并組織了變壓器行業(yè)六家生產企業(yè)進行試制，通過沈陽變壓器研究所與生產企業(yè)的共同努力，試制出SHll-160、200、315、500kVA四種規(guī)格共六臺樣機，全部通過了國家變壓器質量監(jiān)督檢驗中心的檢測并掛網運行。1995年8月“三委三部”組織召開了非晶合金變壓器樣機鑒定會，對6臺非晶合金變壓器樣機進行了鑒定。從而拉開了非晶合金變壓器在中國較大范圍生產、使用的序幕。

根據(jù)試制產品檢測結果顯示，在負載損耗相同的情況下，非金合金變壓器的空載損耗約為硅鋼片變壓器空載損耗的75%左右，并且制造過程無污染排放，實現(xiàn)了綠色制造。如果由非晶合金代替硅鋼材料制作鐵心用在配電變壓器上，可大幅度降低配電網的損耗，提高輸電效率。近幾年我國電力負荷保持每年10%以上的增長速度，相當于每年增加大約37萬臺315kVA配電變壓器的需求，如果將這些變壓器全部換成節(jié)能型的非晶合金變壓器，就相當于一年中節(jié)約了24.6億kWh的用電量。如果將這些電量折算為能耗和廢氣，約等于一年中減少耗煤量101萬噸，減少203萬噸的二氧化碳排放，節(jié)能減排效果非常顯著。

為了推動非晶合金變壓器的使用，國務院、國家相關部委、電力用戶制定了一系列的產業(yè)政策，鼓勵支持推廣非晶合金變壓器。相關產業(yè)政策如下：

1）2005年，國家發(fā)改委開始鼓勵和推廣非晶合金變壓器，由于受非晶合金帶材及技術的制約，我國非晶合金變壓器一直未能進行大規(guī)模生產。

2）2006年，國家標準委發(fā)布了強制性國家標準《三相配電變壓器能效限定值及節(jié)能評價值》。規(guī)定從2010年7月1日起，配電變壓器能耗要降到S11水平，如果配電變壓器的損耗高于該指標，將被禁止生產或銷售。

3）2011年，國家發(fā)改委《產業(yè)結構調整指導目錄》將非晶合金變壓器列為鼓勵發(fā)展產品。

4）2012年，工信部發(fā)布《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》，明確提出“加強變壓器結構設計創(chuàng)新，改進生產工藝，提高能源利用效率，降低損耗，大力推廣非晶合金變壓器等新一代節(jié)能型變壓器”。

5）2012年，國務院下發(fā)《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，制定了“十二五”期間節(jié)能減排的具體目標，并明確要求“十二五”期間電力變壓器空載損耗降低10%～13%，負載損耗降低17%～19%。

6）2012年，財政部、國家發(fā)改委、工信部印發(fā)《節(jié)能產品惠民工程高效節(jié)能配電變壓器推廣實施細則》，明確支持非晶合金變壓器的推廣使用。

7）2012年，工信部下發(fā)《新材料產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，重點產品名錄中明確提出研發(fā)新型非晶合金材料，應用于變壓器行業(yè)。

8）2012年，國家電網公司下發(fā)文件，要求2012～2014年新增配電變壓器中分別按50%、55%、60%的比例采用非晶合金變壓器；在更新改造配電變壓器方面原則上全部采用非晶合金變壓器。

9）2013年，工信部發(fā)布《節(jié)能機電設備（產品）推薦目錄（第四批）》，SCBH15-2000/10干式非晶合金鐵心配電變壓器、SCBH15-MD-30 630/10非晶合金地下式路燈配電變壓器、SCBH15-M-30 1600/10節(jié)能降噪型非晶合金配電變壓器、SBH15-M-630/10油浸式非晶合金鐵心配電變壓器等產品獲得推薦。

經過努力我國非晶合金帶材國產化和非晶合金鐵心制造技術都取得了長足的進步。安泰科技股份有限公司是專門從事非晶合金帶材的研究及生產，現(xiàn)已形成兩萬多噸的年產量；而青島云路新能源科技有限公司也具備了一定數(shù)量的產能。專業(yè)成型鐵心生產企業(yè)也形成一定規(guī)模，如上海置信電氣股份有限公司、北京中機聯(lián)供非晶科技發(fā)展有限公司等。

3 非晶合金變壓器推廣應用中存在的問題

在國家產業(yè)政策支持及電力用戶推廣下，我國非晶合金變壓器的研發(fā)和制造技術取得了很大進步。但回顧非晶合金變壓器產業(yè)化推廣和應用歷程，目前非晶合金變壓器與預期成果仍存在一些差距。究其原因，主要有以下幾方面：

（1）國產化非晶合金帶材產量不足

目前，非晶合金帶材的供應渠道主要是日本日立公司、安泰科技股份有限公司、青島云路新能源科技有限公司。而國內的安泰科技股份有限公司、青島云路新能源科技有限公司兩家企業(yè)每年的供應量在三萬噸左右，無法滿足市場的需求。

（2）成本高

由于非晶帶材的飽和磁密和疊片系數(shù)低，相對于硅鋼片變壓器，材料消耗多，導致單價高，所以非晶合金變壓器的成本要高于傳統(tǒng)的硅鋼片變壓器。

（3）可靠性不穩(wěn)定

目前我國非晶合金變壓器鐵心通常采用搭接式卷鐵心。這種鐵心都 采用垂直于帶材長度方向橫剪成同一寬度的非晶合金片，用疊積卷繞方式，每疊積一周都有一個接縫存在，形成截面呈長方形、下鐵軛部分有接縫的卷鐵心結構，此接縫也是套裝繞組的開合口，由于開合口的存在，非晶合金變壓器的噪聲相對較大。非晶合金材料既硬又脆，非晶變壓器在裝配過程中，非晶合金鐵心會產生非晶合金碎屑，如果碎屑進到油道，隨著變壓器散熱油流動到線圈內部，易造成匝間短路等故障而損壞或燒壞變壓器。另外，非晶合金變壓器的噪聲大也是制約其發(fā)展的關鍵問題。

（4）行業(yè)競爭激烈

隨著國家產業(yè)政策支持和非晶合金變壓器市場推廣加快，非晶合金變壓器產量在逐年提升，生產廠家也逐年增多。截至2011年，通過非晶合金變壓器試驗的廠家達180余家，到了2012年底，非晶合金變壓器的制造廠家已超過250家，同時用戶行業(yè)也參與到非晶合金變壓器的生產領域，導致了低端產品產能過剩，造成了低價競爭。

4 應對措施

（1）提升國產非晶合金帶材性能和產量

受國產帶材產能不足、性能不穩(wěn)定等因素影響，目前仍需要進口大量的非晶合金帶材。非晶合金材料生產企業(yè)應加大帶材的研發(fā)力度，改進生產工藝，提高帶材性能和質量，進一步降低非晶合金帶材成本，加大帶材的供應能力。

（2）國家政策上的扶持應具有連續(xù)性

近年來，國家及相關部委出臺了一系列支持、推廣非晶合金變壓器的產業(yè)政策，使非晶合金變壓器無論在技術或產能方面都有很大提高，但與國際先進水平相比，還存要一些差距，無論在產品性能和噪聲方面有待于提高。因此還需要國家在產業(yè)政策方面給予繼續(xù)扶持，才能保證非晶合金變壓器的應用和推廣得到提升。

（3）加強非晶合金變壓器研發(fā)，提高技術水平

目前非晶合金變壓器的鐵心大多采用矩形截面的平面三柱或五柱的結構，一是耗材多，成本高，二是噪聲大。要加以解決存在的問題，必須加強科研開發(fā)，改進制造工藝，研制出新型結構的非晶合金鐵心，如近似圓截面、無接縫鐵心等，對于降低變壓器制造成本和噪聲具有重大意義。

（4）提高非晶變壓器制造水平，保障非晶合金鐵心性能穩(wěn)定

由非晶合金鐵心制造的變壓器，在組裝時需要打開鐵心的接縫，套入繞組，再重新閉合接縫，鐵心縫隙過大將增加變壓器的空載損耗和噪音。所以，進一步提高非晶變壓器制造水平，提升技術人員的操作能力，保障非晶合金鐵心在裝配過程中性能穩(wěn)定至關重要。

（5）推動國產非晶合金帶材、鐵心和變壓器制造企業(yè)的合作式發(fā)展

建立合作機制，推動非晶合金帶材、鐵心和變壓器生產企業(yè)聯(lián)動發(fā)展，進一步提高產品的性能和運行可靠性，鼓勵有實力的生產企業(yè)和高端產品走向國際市場，提升我國在該領域的國際地位及品牌影響力。

5 結束語

降低電力變壓器損耗，提高輸電效率，是目前世界各國普遍關注的問題。近年來隨著我國節(jié)能降耗相關產業(yè)政策陸續(xù)出臺，非晶合金變壓器得到快速發(fā)展，但仍然存在一些問題，需要行業(yè)科研院所、非晶合金材料研發(fā)生產單位以及變壓器制造企業(yè)的共同努力，加強技術研發(fā)與技術創(chuàng)新，提升非晶合金材料的性能，不斷改進非晶合金變壓器的生產工藝，提高產品的運行可靠性，使非晶合金變壓器的節(jié)能效果更加顯著，更具有市場競爭力。

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[4]鐵基非晶合金帶材簡介[EB/QL]. http:/www.docin.com.

[5]國務院及國家有關部委相關產業(yè)政策.