非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的技術(shù)性能研究

／機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 崔鶴松 ／

非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的技術(shù)性能研究

／機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 崔鶴松 ／

本文以非晶合金變壓器和常規(guī)硅鋼變壓器的技術(shù)性能對(duì)比分析為切入點(diǎn)，通過非晶合金材料與硅鋼材料的性能差異，闡述了非晶合金材料的基本特性，通過參數(shù)計(jì)算、圖表分析等方式，重點(diǎn)分析了非晶合金變壓器與常規(guī)硅鋼變壓器的空載損耗性能、效率特性、運(yùn)行節(jié)能性以及綜合性價(jià)比，為深入研究非晶合金變壓器的技術(shù)特性、充分發(fā)揮其技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)提供重要的參考依據(jù)。

非晶合金；硅鋼；變壓器；技術(shù)性能；分析

0 引言

國家《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》明確要求，“十二五”時(shí)期電力變壓器的空載損耗至少下降23%，負(fù)載損耗至少下降10%。《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》明確要求，“十二五”時(shí)期提高能源利用效率，降低變壓器損耗，推廣使用非晶合金變壓器?！杜潆娮儔浩髂苄嵘?jì)劃（2015－2017）》明確要求，到2017年底，高效配電變壓器在網(wǎng)運(yùn)行比例在2015年基礎(chǔ)上提高14%，當(dāng)年新增量中高效配電變壓器占比達(dá)到70%，并明確提出解決非晶合金帶材穩(wěn)定性及非晶合金變壓器鐵心制造工藝等具體問題。可見，非晶合金變壓器已成為新型節(jié)能變壓器的代表。通過對(duì)比分析非晶合金變壓器與傳統(tǒng)硅鋼變壓器的技術(shù)性能，能夠讓我們更加充分地了解非晶合金變壓器的技術(shù)特性，對(duì)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢(shì)具有至關(guān)重要的意義。

1 非晶合金材料與硅鋼材料的性能對(duì)比分析

1.1 非晶合金材料的基本性能分析

非晶合金的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“短程有序，長程無序”的特點(diǎn)，短程有序即在相鄰或近鄰原子間具有一定規(guī)律性，長程無序即原子在三維空間內(nèi)呈無序狀排列。這種獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)賦予了非晶合金特殊的物理和化學(xué)性能。國內(nèi)外研究者通過對(duì)非晶合金材料的深入研究，總結(jié)了其主要技術(shù)性能：磁化功率小，損耗低，電阻率高，厚度非常薄，表面不平整，硬度高，脆性大，飽和磁通密度相對(duì)較低，矯頑力小，對(duì)機(jī)械應(yīng)力敏感[1-10]。

非晶合金按組成成分可分為鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合金、鈷基非晶合金三大類。鐵基非晶合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，磁導(dǎo)率明顯高于硅鋼片，矯頑力及鐵損顯著低于硅鋼片，所以非晶合金變壓器主要采用鐵基非晶合金帶材作為鐵心的原材料。鐵基非晶合金的單位損耗遠(yuǎn)低于硅鋼，如表1[11]所示。

非晶合金與硅鋼的主要性能差異可以總結(jié)為：

1）非晶合金的電阻率遠(yuǎn)高于硅鋼，故其渦流損耗大幅度降低，這使得非晶合金的單位損耗優(yōu)于硅鋼。

2）非晶合金的磁致伸縮程度高于硅鋼，故非晶合金變壓器的噪聲相對(duì)較大。但通過退火工藝可以減弱甚至消除非晶合金磁致伸縮對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)，使得非晶合金變壓器的噪聲水平與硅鋼變壓器相當(dāng)。

3）非晶合金的厚度比硅鋼薄，表面平整度不如硅鋼好，所以非晶合金變壓器鐵心的疊片填充系數(shù)低于硅鋼變壓器鐵心。

4）非晶合金比硅鋼硬度高，且脆性大，使得剪切和加工難度較大。

5）非晶合金的耐受應(yīng)力能力比硅鋼差，加工過程中的不當(dāng)應(yīng)力會(huì)使得單位損耗急劇變化，但通過恰當(dāng)?shù)耐嘶鸸に嚳梢韵龖?yīng)力對(duì)非晶合金的影響。

綜上，采取適當(dāng)?shù)墓に噺浹a(bǔ)非晶合金性能上的不足，充分發(fā)揮其良好的導(dǎo)磁特性和低損耗特性，非晶合金變壓器才能更具競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 非晶合金材料與硅鋼材料制備過程對(duì)比分析

表1 鐵基非晶合金與硅鋼片主要性能對(duì)比

非晶合金變壓器的節(jié)能與環(huán)保不僅指較低的空載損耗，其中非晶合金帶材生產(chǎn)加工過程也能夠體現(xiàn)其高效節(jié)能的產(chǎn)品屬性。硅鋼片作為傳統(tǒng)變壓器的鐵心材料，生產(chǎn)工藝主要有冷軋和熱軋兩種，其中熱軋工藝由于環(huán)保和能耗問題已被國家明令禁止，所以目前應(yīng)用在變壓器中的硅鋼片基本都是采用冷軋工藝制成。冷軋硅鋼片的生產(chǎn)工序主要有煉鋼、鑄坯、一次冷軋、退火、二次冷軋、二次退火、高溫退火等，生產(chǎn)時(shí)需要投入大量的設(shè)備與人力，其中多次退火與軋制極其耗能。在制備取向硅鋼帶時(shí)，還需要增加酸洗工藝，這將對(duì)環(huán)境造成污染。硅鋼片作為變壓器的鐵心材料，需進(jìn)行表面涂漆工藝，以提高鐵心層間電阻并改善加工性能。非晶合金帶材在制造過程中一般只需要熔融、噴鑄、成帶三道工序，比硅鋼片的生產(chǎn)過程減少了鑄坯、兩次冷軋、兩次退火等6～8道工序，全部制備過程可節(jié)約25%的能源消耗，生產(chǎn)效率也明顯提高。此外，非晶合金帶材的成材率也遠(yuǎn)高于硅鋼帶材，有效避免了原材料的浪費(fèi)，且生產(chǎn)過程中無污染。所以，非晶合金比硅鋼片的制備過程更加節(jié)能環(huán)保。

2 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的性能對(duì)比分析

2.1 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的空載損耗性能對(duì)比分析

非晶合金變壓器主要應(yīng)用范圍是城市配電、城鄉(xiāng)用電等配電網(wǎng)領(lǐng)域。目前我國配電網(wǎng)在網(wǎng)運(yùn)行的配電變壓器中，僅有少量的S9型配電變壓器，S11和S13所占比例較大，隨著非晶合金變壓器的技術(shù)不斷成熟，在國家節(jié)能減排政策及國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)等用戶的大力推動(dòng)下，SH15型非晶合金配電變壓器的應(yīng)用比例越來越高。《配電變壓器能效提升計(jì)劃（2015-2017年）》要求，我國到2017年底基本淘汰1997年前投運(yùn)的S9及以下型號(hào)高耗能配電變壓器，鼓勵(lì)推廣使用SH15型“高效”非晶合金變壓器。

非晶合金變壓器之所以被廣泛推薦應(yīng)用，主要源于其損耗性能明顯低于傳統(tǒng)硅鋼變壓器[2-13]。JB/T 3837《變壓器類產(chǎn)品型號(hào)編制方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三相油浸式電力變壓器的損耗水平做出了規(guī)定，以GB/T 6451－2008《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)參數(shù)為基準(zhǔn)，損耗水平代號(hào)定義為“9”，在此基礎(chǔ)上S10型、S11型、S12型、S13型、SH15型配電變壓器的空載損耗均有不同程度的降低。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》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非晶合金變壓器的技術(shù)參數(shù)做出了規(guī)定。表2為30～630kVA容量等級(jí)的三相油浸式SH15型非晶合金變壓器與三相油浸式S11型和S13型硅鋼變壓器空載損耗比較情況。

由表2可知，SH15型非晶合金變壓器比S11型硅鋼變壓器空載損耗約降低了65%，比S13型硅鋼配電變壓器空載損耗約降低了48%。

2.2 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的效率特性對(duì)比分析

非晶合金變壓器的空載損耗在電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，可以近似為一個(gè)恒定不變的值，而負(fù)載損耗卻隨著用電負(fù)荷的變化而變化。用戶在選用和應(yīng)用非晶合金變壓器時(shí)，常常為了降低成本選擇“以小代大”，即以小容量變壓器代替所需的大容量變壓器，以降低初期投入成本，讓非晶合金變壓器長期處于滿負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際上，從長期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性上考慮，這種非晶合金變壓器負(fù)荷量與運(yùn)行效率不匹配的方式，并沒有真正實(shí)現(xiàn)“降本增效”，反而導(dǎo)致“增本降效”。非晶合金變壓器的負(fù)荷量大小可用負(fù)載率來衡量，當(dāng)非晶合金變壓器的負(fù)載率在一個(gè)合理范圍內(nèi)，它的運(yùn)行狀態(tài)和效率會(huì)最高。

表2 SH15型非晶合金變壓器與S11型、S13型硅鋼變壓器空載損耗對(duì)比情況

非晶合金變壓器的效率實(shí)際上就是變壓器輸出有功功率和輸入有功功率的比值[13]。即

式中，η為非晶合金變壓器的效率，%；β為非晶合金變壓器的負(fù)載率，%；Sn為非晶合金變壓器的額定容量，kVA；cosΦ為功率因數(shù)；P0為非晶合金變壓器的空載損耗，kW；Pk為非晶合金變壓器額定電流下的負(fù)載損耗，kW。

若要非晶合金變壓器的效率最大，需求式（1）的極值，即 ，令，則 。實(shí)際上變壓器的負(fù)載損耗與空載損耗相等時(shí)，其效率能夠達(dá)到最大值。隨著我國輸配電技術(shù)的快速發(fā)展，輸變電系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定性不斷提高，加之無功補(bǔ)償技術(shù)的不斷進(jìn)步，配電網(wǎng)的功率因數(shù)一般不會(huì)低于0.9，所以本文取功率因數(shù)為0.9。根據(jù)非晶合金變壓器各額定容量下的空載損耗值和負(fù)載損耗值，通過計(jì)算可以得出理論上SH15型非晶合金變壓器的最高效率，見表3。

由表3可知，SH15型非晶合金變壓器效率的平均值約為99.31%，且當(dāng)負(fù)載率保持在20.81%～22.89%范圍內(nèi)時(shí)，SH15型非晶合金變壓器易達(dá)到較高效率運(yùn)行。通過相同的計(jì)算方法，可以計(jì)算出S11型和S13型硅鋼配電變壓器的最佳負(fù)載率和最高效率，表4列出了SH15型非晶合金變壓器與S11型、S13型硅鋼變壓器的最佳負(fù)載率及最高效率的對(duì)比情況。

表3 SH15型非晶合金變壓器的最佳負(fù)載率及最高效率

由表4可知，SH15型非晶合金變壓器的效率平均值比S13型硅鋼變壓器的效率平均值約高0.31%，比S11型硅鋼變壓器的效率平均值約高0.41%。S13型硅鋼變壓器適于用負(fù)載率29.42%～35.63%，S11型硅鋼變壓器適用于負(fù)載率34.82%～39.84%。由于變壓器采用Dyn11和Yyn0聯(lián)結(jié)組時(shí)，其額定負(fù)載損耗值不同，通過對(duì)比計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩種額定負(fù)載損耗值所計(jì)算出的最佳負(fù)載率和最高效率相差無幾，因此，上述計(jì)算過程中選用的額定負(fù)載損耗值均為Dyn11聯(lián)結(jié)組時(shí)的數(shù)據(jù)。

表4 SH15型非晶合金變壓器與S11型、S13型硅鋼變壓器的最佳負(fù)載率及最高效率的對(duì)比情況

綜上，SH15型非晶合金變壓器的效率高于S11和S13硅鋼變壓器，且在負(fù)載率相對(duì)較低的配電區(qū)域中使用非晶合金變壓器最能夠發(fā)揮其高效率特性。

2.3 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的運(yùn)行節(jié)能性對(duì)比分析

由于電力系統(tǒng)的終端用電設(shè)備多是電感性負(fù)載，這些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)不僅需要消耗一部分有功功率，還需要消耗一定的無功功率，這會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，進(jìn)而增大電網(wǎng)損耗。非晶合金變壓器在配電網(wǎng)應(yīng)用中，常常配套采用無功補(bǔ)償裝置，以保證較高的功率因數(shù)，這使得非晶合金變壓器所消耗的無功功率而引起的無功損耗并不大，所以可以近似用有功功率損耗分析其運(yùn)行節(jié)能性。即

式中，△P為非晶合金變壓器的有功功率損耗，kW；P0為非晶合金變壓器的空載損耗，kW；Kt為非晶合金變壓器的負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)，取1.05；β為非晶合金變壓器的平均負(fù)載率，%；Pk為非晶合金變壓器額定電流下的負(fù)載損耗，kW。

由表2可知，SH15型非晶合金變壓器的空載損耗明顯低于S11型和S13型硅鋼變壓器，而三種變壓器的負(fù)載損耗值又相同，所以上述公式能夠直觀反映出非晶合金變壓器的有功功率損耗明顯低于S11型和S13型硅鋼配電變壓器。

非晶合金變壓器的年綜合損耗計(jì)算公式為

式中，P為非晶合金變壓器的年綜合損耗，kW·h；△P為非晶合金變壓器的有功功率損耗，kW；△Q為非晶合金變壓器的無功功率損耗，kW。

帶入公式，可得

式中，8760為非晶合金變壓器的年運(yùn)行時(shí)間，h；P0為非晶合金變壓器的空載損耗，kW；Kt為非晶合金變壓器的負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)，取1.05；β為非晶合金變壓器的平均負(fù)載率，%；Pk為非晶合金變壓器額定電流下的負(fù)載損耗，kW；k為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，kW/kvar，這里取0.1；Q0為非晶合金變壓器的空載無功損耗，kvar；Qk為非晶合金變壓器額定電流下的負(fù)載無功損耗，kvar。

由圖1可以看出，SH15型非晶合金變壓器的年綜合損耗隨負(fù)載率增大而增加，且容量越大，年綜合損耗隨負(fù)載率增大而增加的幅度越明顯。通過相同的計(jì)算方法可以計(jì)算出各容量等級(jí)下S11型和S13型硅鋼配電變壓器的年綜合損耗，SH15型非晶合金變壓器比S11型、S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗降低幅度見圖2。

由圖2可以看出，SH15型非晶合金變壓器比S11型、S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗低，且容量越大，降低幅度越明顯。不僅如此，通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，無論負(fù)載率是否變化，相同容量下SH15型非晶合金變壓器相比S11型和S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗降低幅度相同。

圖1 SH15型非晶合金變壓器年綜合損耗隨負(fù)載率而變化的趨勢(shì)圖

圖2 SH15型非晶合金變壓器比S11型、S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗降低幅度

根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)，額定容量為500kVA的SH15型非晶合金變壓器比同容量S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗分別降低5168kW·h。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每度電約消耗0.318kg標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)國家相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，每發(fā)1度電會(huì)排放約0.997kg二氧化碳、0.03kg二氧化硫、0.0069kg氮氧化物。因此，一臺(tái)SH15型非晶合金變壓器比同容量的S13型硅鋼變壓器運(yùn)行一年將節(jié)約1643kg煤，減少排放5152kg二氧化碳、155kg二氧化硫、36kg氮氧化物，所節(jié)約的電能相當(dāng)于一個(gè)家庭4年的用電量。因此，非晶合金變壓器的節(jié)能和環(huán)保特性十分突出。

2.4 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的綜合性價(jià)比對(duì)比分析

在生產(chǎn)和生活中選用變壓器時(shí)常常將技術(shù)經(jīng)濟(jì)性作為一個(gè)重要衡量指標(biāo)。電力行業(yè)通常依據(jù)DL/T985－2008《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中的總擁有費(fèi)用法（TOC）來比較不同變壓器運(yùn)行20年的總費(fèi)用，以費(fèi)用相對(duì)較低作為選用變壓器的依據(jù)[14-15]。由于TOC中空載損耗和負(fù)載損耗等效初始系數(shù)等一系列參數(shù)計(jì)算較為復(fù)雜，本文選用更為直觀的“投資回收期”來衡量兩種變壓器的性價(jià)比。

式中，Y為投資回收期，年；A為初始購置費(fèi)用，元；C為年綜合損耗費(fèi)用，元。

以額定容量都為500kVA的SH15型非晶合金變壓器和S13型硅鋼變壓器為例，SH15型非晶合金變壓器初始購置價(jià)格約為A1=55000元，S13型硅鋼變壓器初始購置價(jià)格約為A2=40000元，如果按照北京市居民生活用電階梯電價(jià)的中等用電家庭電費(fèi)為0.5283元/kWh，當(dāng)負(fù)載率為30%時(shí)，SH15型非晶合金變壓器的年綜合損耗費(fèi)用C1=5508元，S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗費(fèi)用C2=8450元，將A1、A2、C1、C2的數(shù)值帶入式（5），得出投資回收期約為5年。一般情況下變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行壽命是20年，這意味著用戶如果用額定容量為500kVA的SH15型非晶合金變壓器替代S13型硅鋼變壓器，雖然初期投入成本稍高，但非晶合金變壓器僅運(yùn)行5年所節(jié)約的電費(fèi)即可抵消初期投入的價(jià)格差，而之后運(yùn)行15年將節(jié)約一筆可觀的電費(fèi)。因此，非晶合金變壓器擁有很高的性價(jià)比。

綜上，雖然非晶合金變壓器由于非晶合金帶材價(jià)格相對(duì)較高，初期投入成本常常高于常規(guī)硅鋼變壓器，但憑借其低損耗特性、高效率特性、運(yùn)行節(jié)能性和高性價(jià)比特性，運(yùn)用科學(xué)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析和運(yùn)行效率分析，不難得出其全生命周期內(nèi)的運(yùn)行成本相比于常規(guī)硅鋼變壓器具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語

非晶合金變壓器雖然屬于高效節(jié)能產(chǎn)品，但仍存在抗短路能力弱、噪聲大、制造工藝難度大等諸多問題。傳統(tǒng)硅鋼變壓器技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用也更加廣泛，尤其在特高壓輸電工程領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。隨著非晶合金變壓器制造工藝的不斷創(chuàng)新，以及傳統(tǒng)硅鋼變壓器的結(jié)構(gòu)和工藝再創(chuàng)新，非晶合金變壓器和傳統(tǒng)硅鋼變壓器都有著極為廣闊的發(fā)展空間。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域選用合適的產(chǎn)品，揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮產(chǎn)品的技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)《配電變壓器能效提升計(jì)劃（2015－2017）》年節(jié)電94億kWh的目標(biāo)指日可待。

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