非晶合金材料的特點(diǎn)及其鐵心變壓器發(fā)展方向之研究

趙 麗，何關(guān)金

（1.伊戈?duì)栯姎夤煞萦邢薰?，廣東 佛山 528000；2.廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院，廣東 佛山 528000）

非晶合金材料的特點(diǎn)及其鐵心變壓器發(fā)展方向之研究

趙 麗1，何關(guān)金2

（1.伊戈?duì)栯姎夤煞萦邢薰?，廣東 佛山 528000；2.廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院，廣東 佛山 528000）

文章首先簡要闡述了非晶合金材料的特點(diǎn)，并分析了非晶合金鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對非晶合金鐵心變壓器的應(yīng)用前景及發(fā)展方向進(jìn)行論述。期望通過研究，能夠?qū)Ψ蔷Ш辖痂F心變壓器的推廣應(yīng)用及電力系統(tǒng)能耗的降低有所幫助。

非晶合金；變壓器；節(jié)能

1 非晶合金材料的特點(diǎn)

在冶金材料中，金屬或合金屬于晶態(tài)結(jié)構(gòu)材料，這類材料中的原子呈有序排列，其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具備周期性特點(diǎn)。而非晶合金是指在液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)在急速冷凝固狀態(tài)下，合金原子中的結(jié)晶未能有序排列，使得固態(tài)合金原子呈現(xiàn)出無序結(jié)構(gòu)，不存在晶態(tài)合金的晶界、晶粒。非晶合金的性能優(yōu)異、工藝簡單，屬于先進(jìn)的冶金材料，擁有良好的耐磨性、耐蝕性、磁性、韌性、耦合性、電阻率、硬度和強(qiáng)度。非晶合金的構(gòu)成元素為80%的鐵元素和20%的硅元素，具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，相比較硅鋼片而言，其在磁導(dǎo)率、鐵損、激磁電流等方面均顯現(xiàn)出優(yōu)勢，尤其在鐵損方面，非晶合金僅為硅鋼片的1/3，將非晶合金應(yīng)用到變壓器中，可有效降低能耗。非晶合金的帶材厚度一般為0.03mm，適用于條件為10kHz以下頻率，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源、磁放大器、逆變器以及各類型變壓器中。

2 非晶合金鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)

由于非晶合金材料的加工工藝較為復(fù)雜，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，非晶合金帶材的規(guī)則只有三種寬度分別為142mm、170mm、213mm，其特點(diǎn)是硬而脆、難以剪切和加工。鑒于此，絕大部分的非晶合金鐵心采用的都是長方形截面。從其結(jié)構(gòu)形式上看，具體是將下鐵軛部分設(shè)計(jì)成交錯搭接的開口單卷卷鐵心結(jié)構(gòu)。三相五柱式是一種用于非晶合金變壓器鐵心結(jié)構(gòu)較為普遍的形式，如圖1所示。

圖1 三相五柱式鐵心結(jié)構(gòu)示意圖

3 非晶合金鐵心變壓器的應(yīng)用前景

以非晶合金作為鐵心的變壓器具有節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。在節(jié)能方面，非晶合金鐵心變壓器的空載損耗非常低，這使其節(jié)能效果非常顯著，因非晶合金材料有著優(yōu)異的導(dǎo)磁性，能夠以較少的能耗磁化或是消磁，因此非晶合金鐵心變壓器的空載損耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)變壓器，這一特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。此外，在一些電力負(fù)荷波動變化較大的領(lǐng)域中，如公路、城市基礎(chǔ)設(shè)施、民用住宅小區(qū)等等，非晶合金鐵心變壓器也同樣具有良好的節(jié)能效果，它的應(yīng)用不但能夠節(jié)省大量的電廠投資，而且還能減少發(fā)電燃料的消耗，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。在環(huán)保方面，通過相關(guān)的技術(shù)檢測結(jié)果可知，將非晶合金鐵心用于油浸式變壓器時(shí)，能夠減少各類有害氣體的排放，如一氧化碳、氧化硫、氮?dú)獾鹊?，這對于降低大氣污染較為有利。

作為發(fā)展中國家，我國的能源消費(fèi)增長速度加快，同時(shí)，能源緊缺也是一個不爭的事實(shí)。為此，國家將節(jié)能作為了一項(xiàng)重要的基本國策。隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造進(jìn)程的不斷加快，國電總公司相繼實(shí)行了更換S9型節(jié)能變、停產(chǎn)S7型和淘汰電網(wǎng)中64及73系列的高能耗變壓器等措施，這對電網(wǎng)線損的降低起到了一定的作用。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，現(xiàn)階段我國輸配電損耗約占電力總產(chǎn)量的7%左右，由此導(dǎo)致了電力利用率有所降低，大量的電能白白浪費(fèi)，因此降低變壓器損耗成為節(jié)能降耗的當(dāng)務(wù)之急。配變是電力傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其數(shù)量多、運(yùn)行時(shí)間長、節(jié)能潛力巨大。隨著電力工作者對非晶合金材料優(yōu)點(diǎn)的逐步認(rèn)識，非晶合金鐵心變壓器勢必會在不久的將來取代傳統(tǒng)的鐵心變壓器，通過非晶合金鐵心變壓器在配網(wǎng)當(dāng)中的大規(guī)模應(yīng)用，能夠發(fā)揮出不可估量的節(jié)能作用，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益非常巨大。不僅如此，還有利于電能質(zhì)量的提升和電力系統(tǒng)自身損耗的降低。非晶合金鐵心變壓器的初期成本雖然要比傳統(tǒng)變壓器高很多，但它所具有的優(yōu)異的低損耗性能，將會使運(yùn)營成本大幅度降低，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益是非常巨大的，足以抵消前期投資成本。鑒于此，推廣普及此類變壓器對于節(jié)能增效具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 非晶合金鐵心變壓器的發(fā)展方向

與優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片相比，非晶合金材料的價(jià)格略高，加之其工作磁密度略低，需要使用大量的導(dǎo)線，使得非晶合金鐵心配電變壓器的價(jià)格高于硅鋼片配電變壓器。但是，非晶配變的使用性能優(yōu)異，在綜合考慮變壓器壽命周期內(nèi)的能耗情況下，可在非晶配變價(jià)格高于硅鋼片配變30%以內(nèi)時(shí)，選擇安裝非晶配變是最為經(jīng)濟(jì)的方案。從投資效益上來看，使用非晶配變能夠大幅度減少空載損耗，這部分損耗節(jié)省的資金可用來抵消非晶配變一部分售價(jià)，使得非晶配變即便售價(jià)過高，也仍具備良好的投資價(jià)值。對于工廠企業(yè)而言，選擇非晶變壓器時(shí)需要多投入一部分資金，但是在非晶變壓器使用中，可有效節(jié)省電費(fèi)支出，使得多支出的這部分資金基本會在4～5年內(nèi)回收。對于電力系統(tǒng)而言，線路損失是重要經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)，選用非晶變壓器可有效降低線損，提高供電經(jīng)濟(jì)效益。

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