淺議非晶合金變壓器

史麗敏，高向前

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

淺議非晶合金變壓器

史麗敏，高向前

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，降低變壓器的損耗，提高供、配電系統(tǒng)效率，是長期探討的問題。使用新型節(jié)能材料非晶合金磁性材料，能大大降低鐵芯損耗，提高效率。本文依據(jù)多年來非晶合金變壓器的研究成果，結(jié)合我國變壓器市場情況進(jìn)行了研究分析。

非晶態(tài)合金 變壓器 鐵芯 空載損耗

電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備變壓器，運(yùn)行中產(chǎn)生的損耗較大，主要在于鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗。如何才能減少鐵芯損耗，提高供、配電系統(tǒng)效率，是目前大家一直探討的問題。降低損耗、提高效率有很多方法，但是主要靠材料的更新，鐵芯結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)、線圈結(jié)構(gòu)的改變。使用新型節(jié)能材料——非晶合金磁性材料，能大大降低鐵芯損耗，提高效率。本文依據(jù)多年來非晶合金變壓器的研究成果，結(jié)合我國的變壓器市場情況分析如下。

1 非晶合金變壓器概述

1.1 非晶合金

我們常見的金屬一般都是晶態(tài)材料，其內(nèi)部原子排列井然有序。而非晶態(tài)材料則是內(nèi)部原子排列處于無規(guī)則狀態(tài)。金屬在熔化后原子處于活躍狀態(tài)，如果冷卻很快，其原子還來不及排列就被凝固，就產(chǎn)生了非晶態(tài)合金。由于超急冷凝固，合金凝固時原子來不及進(jìn)行有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性，高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。非晶態(tài)合金和晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能方面都比較優(yōu)越。例如，以鐵元素為主的非晶合金具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，而且損耗比較低。由于這些特點(diǎn)，非晶合金材料在電子、微電子、航空、航天、機(jī)械等方面，具有廣闊的應(yīng)用空間。它可以減輕電源、設(shè)備重量，增加有效荷載，縮小體積，提高效率，增強(qiáng)抗干擾能力。非晶合金材料是一種新型節(jié)能材料，主要是以鐵、鎳、鈷、鉻、錳等金屬為合金基礎(chǔ)，并加入少量稀有金屬元素如硼、碳、硅、磷等做成，具有良好的鐵磁性。

1.2 結(jié)構(gòu)與分類

非晶合金與硅鋼片的晶體結(jié)構(gòu)完全不相同，導(dǎo)磁能力更強(qiáng)，更有利于被磁化和去磁。加工成型的非晶合金鐵心帶材厚度只有0.025mm，在變壓器鐵心磁化的過程中很容易，能夠大幅度降低變壓器的空載損耗。鐵磁材料具有較高的磁導(dǎo)率，對產(chǎn)生同樣大小的磁通所需要的安匝數(shù)是不同的。也就是說產(chǎn)生同樣的磁通，磁導(dǎo)率大的材料所需的安匝數(shù)小，反之所需的安匝數(shù)大。由于鐵磁材料具有高的磁導(dǎo)率，變壓器發(fā)展初期，使用普通鐵片作為鐵芯材料。非晶合金鐵芯材料對機(jī)械應(yīng)力非常敏感，無論是張引力還是彎曲應(yīng)力，都會影響其磁化性能，所以鐵芯的損耗就會隨著應(yīng)力的增大而增加，這需要在設(shè)計(jì)器身結(jié)構(gòu)時加以充分考慮。

20世紀(jì)40年代，冶金企業(yè)開發(fā)出冷軋取向磁性鋼片，逐漸取代了熱軋片。20世紀(jì)70年代，開發(fā)出高導(dǎo)磁性鋼片，它的單位損耗和勵磁安匝比普通晶粒取向磁性鋼片要小的多。20世紀(jì)80年代，又開發(fā)出磁疇細(xì)化(使用激光照射或機(jī)械壓痕方法)具有更低損耗的磁性鋼片。這種新型材料的磁通飽和值較傳統(tǒng)的硅鋼材料低(1.57T～1.59T)，非晶合金鐵心在設(shè)計(jì)磁通密度時，一般單相變壓器在1.3T～1.4T，三相變壓器在1.25T～1.35T之間取值都是比較理想的。

變壓器多種多樣，按照變壓器鐵芯分類，可以分為普通硅鋼變壓器，卷鐵芯變壓器和非晶變壓器三大類。三種產(chǎn)品最大的區(qū)別在于鐵芯材質(zhì)和加工工藝不同，各自的損耗也不同。傳統(tǒng)的變壓器是用硅鋼片等材料做成，其損耗較大，卷鐵芯變壓器空載損耗大大降低，因卷鐵芯無接縫使空載電流比疊鐵芯變壓器小，但其生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，成本較高。非晶合金變壓器指的是在變壓器當(dāng)中以非晶合金材料當(dāng)做其鐵芯使用〔2〕。非晶合金變壓器主要分類為油浸式和干式這兩種。非晶合金干式變壓器包括敞開式和環(huán)氧澆注式這兩種型式，其中以環(huán)氧澆注型式為最多。環(huán)氧澆注非晶合金干式變壓器與普通環(huán)氧澆注干式變壓器相比，在結(jié)構(gòu)上存在很大的差異。非晶合金變壓器一般是三相四框五柱式結(jié)構(gòu)，鐵心為矩形截面；高低壓繞組相應(yīng)為矩形，高壓繞組為線繞式、環(huán)氧樹脂澆注的結(jié)構(gòu)，低壓繞組一般為箔繞式。非晶合金干式變壓器傳承了傳統(tǒng)干式變壓器的阻燃、難燃、免維護(hù)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為一種新型損耗低的干變。若能從技術(shù)上解決其噪聲、受力及成本問題，憑借非晶合金干式變壓器良好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，非晶合金干式變壓器將會有廣闊的應(yīng)用前景。非晶合金變壓器的空載損耗比硅鋼片下降70%～80%〔3〕，這是其最大的優(yōu)點(diǎn)。取消儲油柜后，外形尺寸在高度上有明顯降低。非晶合金變壓器的鐵芯采用非晶合金這一特殊的導(dǎo)磁材料，其晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)的硅鋼，具有更利于被磁化和去磁的優(yōu)點(diǎn)，能大幅度降低鐵芯的空載損耗。

1.3 非晶合金變壓器的特點(diǎn)

非晶合金材料比起硅鋼片更加綠色、環(huán)保、節(jié)能。非晶合金變壓器的優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)能效果明顯，環(huán)保效應(yīng)強(qiáng)，節(jié)約城市建設(shè)用地，綜合使用成本低，運(yùn)行穩(wěn)定和安全性能高。缺點(diǎn)是：最初投資的成本比較高，但是若以長期維護(hù)和使用年限來比，還是比普通變壓器經(jīng)濟(jì)。

例如：以一臺400kVA非晶配電變壓器SH12為例，買價為5萬元，與S9配變相比，年節(jié)約用電7000kW·h，每kW·h電以0.60元計(jì)，全年節(jié)約4900元，4年后變壓器的初期投資即可收回。

隨著市場的不斷發(fā)展，非晶變壓器為最終經(jīng)濟(jì)用電開辟了一個捷徑，這一觀念會被用戶不斷認(rèn)識和接受。非晶合金鐵芯變壓器對節(jié)能和環(huán)境保護(hù)有重大意義。非晶合金鐵芯變壓器可以降低空載損耗70%，非晶材料生產(chǎn)過程節(jié)能70%，是一種雙節(jié)能產(chǎn)品。據(jù)調(diào)查分析，目前相同規(guī)格的硅鋼變壓器與非晶變壓器的市場價格已經(jīng)相差不多。因此，發(fā)展非晶變壓器符合國家倡導(dǎo)的“節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、建設(shè)節(jié)約型社會”的產(chǎn)業(yè)政策。

2 非晶合金變壓器的發(fā)展前景

目前國際上已將非晶合金變壓器列為節(jié)能變壓器的首選，作為改變大氣熱污染的措施之一，該產(chǎn)品在國內(nèi)的應(yīng)用廣泛。最近幾年，幾萬臺非晶變壓器在電網(wǎng)上正常運(yùn)行，證明了它的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，為國內(nèi)非晶變壓器的進(jìn)一步使用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)非晶合金鐵心的生產(chǎn)能力已達(dá)到8000t/年，國家發(fā)改委將非晶合金國產(chǎn)化、商品化列入計(jì)劃，為國內(nèi)發(fā)展非晶合金變壓器提供了扎實(shí)的物質(zhì)保障。

隨著非晶變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟，涌現(xiàn)了各類非晶產(chǎn)品，非晶環(huán)氧干式變壓器、地埋式變壓器、路燈變、三相三柱式非晶配電變，非晶合金地下式路燈變壓器、非晶合金地下式變壓器、非晶合金干式變壓器、非晶合金單相變壓器、非晶合金SF6環(huán)網(wǎng)柜分體組合式變壓器、非晶合金美式箱變、非晶合金歐式箱變以及非晶合金三相諧渡注入器等20多種產(chǎn)品品種〔4〕。非晶合金變壓器的設(shè)計(jì)發(fā)展很快，現(xiàn)有40余家公司生產(chǎn)非晶合金變壓器產(chǎn)品，贏得了廣大用戶的一致推崇和廣泛好評，被譽(yù)為“當(dāng)前世界電氣潮流的高科技綠色產(chǎn)品”。

3 結(jié)論(1)非晶合金變壓器具有良好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，大多數(shù)國家都在生產(chǎn)和推廣非晶合金變壓器；

(2)節(jié)能變壓器——非晶合金變壓器在市場上的擴(kuò)展和使用，會給國家、用戶及制造者帶來效益，推動整個非晶市場的發(fā)展；

(3)非晶合金變壓器在電網(wǎng)中廣泛使用，將會成為我國科技發(fā)展和新技術(shù)應(yīng)用的一個亮點(diǎn)。

〔1〕曹慶波.非晶合金在變壓器中的應(yīng)用.電氣時代，2007，(9)：92.

〔2〕史麗敏.新型節(jié)能專家.科研，2015，(37).

史麗敏(1976.11-)，女，漢族，陜西白水縣人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)技術(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

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2095-1809(2016)04-0085-03