陳 浩，張 璐，于在明，郭 鐵，王 楠

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.遼寧電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

試驗(yàn)與研究

非晶合金變壓器國(guó)內(nèi)外鐵芯帶材空載損耗比對(duì)分析

陳 浩1，張 璐2，于在明1，郭 鐵1，王 楠1

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.遼寧電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

分析了影響非晶合金變壓器鐵芯空載損耗的重要因素，并對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)前沿非晶合金變壓器鐵芯帶材空載損耗值進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)果表明，隨著國(guó)產(chǎn)帶材生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)帶材的各項(xiàng)性能已逐步追平甚至超過(guò)進(jìn)口帶材。

配電變壓器；非晶合金；鐵芯帶材；空載損耗

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)迅速擴(kuò)張，配電變壓器作為輸配電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其需求量呈較大、較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)。我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷呈較強(qiáng)的季節(jié)性，配電變壓器輕載或空載運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，其空載損耗成為電能損耗的主要部分。配電變壓器使用量大、應(yīng)用范圍廣、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，因此具有很大的節(jié)能潛力［1］。憑借鐵芯材料的特殊性能，非晶合金配電變壓器的空載損耗比傳統(tǒng)的硅鋼鐵芯變壓器空載損耗顯著降低，僅為新S9型變壓器的1／4左右，是頗具應(yīng)用潛力的電力節(jié)能設(shè)備。由于目前國(guó)內(nèi)非晶合金配電變壓器制造商的生產(chǎn)工藝參差不齊，產(chǎn)品性能差異較大，且缺乏對(duì)其節(jié)能效果的合理評(píng)價(jià)和宣傳，用戶基本持觀望態(tài)度，因此，在選擇非晶合金變壓器鐵芯帶材上，國(guó)內(nèi)鐵芯帶材制造商尚不占優(yōu)勢(shì)［2］。針對(duì)這一情況，分析了影響非晶合金變壓器鐵芯空載損耗的因素，并對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)前沿的非晶合金變壓器鐵芯帶材生產(chǎn)制造商的鐵芯帶材空載損耗值進(jìn)行比對(duì)分析。

1 國(guó)內(nèi)外非晶合金帶材發(fā)展情況

在20世紀(jì)80年代，美國(guó)聯(lián)信公司是世界上唯一一家能商業(yè)化生產(chǎn)非晶合金帶材的企業(yè)，而后該公司逐步開始發(fā)展中國(guó)非晶合金市場(chǎng)。受美國(guó)聯(lián)信公司影響，90年代初期，我國(guó)變壓器企業(yè)開始全部使用該公司的非晶帶材進(jìn)行非晶合金變壓器制造。1998年，上海置信電氣股份有限公司是我國(guó)第一家專業(yè)生產(chǎn)非晶合金變壓器的企業(yè)，使用美國(guó)通用電氣公司變壓器技術(shù)制造非晶合金變壓器。1990—2003年，我國(guó)具備非晶變壓器制造技術(shù)的企業(yè)只有20多家，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)非晶帶材的用量非常有限，僅1 000多t，且當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)帶材非晶合金鐵芯產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定。自2005年，北京中機(jī)聯(lián)供股份有限公司實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)生產(chǎn)設(shè)備到制造工業(yè)整套非晶合金變壓器的鐵芯生產(chǎn)技術(shù)，帶動(dòng)了安泰科技股份有限公司從事國(guó)產(chǎn)非晶帶材的商業(yè)化生產(chǎn)，形成了萬(wàn)噸級(jí)的國(guó)產(chǎn)非晶帶材生產(chǎn)規(guī)模，并逐步擴(kuò)大生產(chǎn)能力。

目前市場(chǎng)上的重要非晶合金帶材生產(chǎn)公司有日立金屬和安泰科技，分別生產(chǎn)進(jìn)口帶材和國(guó)產(chǎn)帶材。

日立金屬是目前世界上最大的非晶帶材生產(chǎn)商，技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模均處于領(lǐng)先水平。其生產(chǎn)的SA1帶材是目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在此技術(shù)上，日立金屬開發(fā)了新一代帶材HB1。與SA1相比，HB1的矯頑力降低25%，令鐵損進(jìn)一步減少。另外，HB1的飽和磁通密度比SA1提高了5%，有利于變壓器設(shè)計(jì)小型化，減少帶材、銅、油等用料消耗。在產(chǎn)能規(guī)模方面，2007年年產(chǎn)量已達(dá)5.2萬(wàn)t，2009年產(chǎn)能達(dá)到8萬(wàn)t，2015年產(chǎn)能已達(dá)到15萬(wàn)t。在市場(chǎng)策略方面，日立科技非常注重下游產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)與客戶的培育，通過(guò)各種形式與途徑在變壓器生產(chǎn)企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)推介非晶合金材料，通過(guò)培育重點(diǎn)客戶、典型市場(chǎng)持續(xù)提升其在變壓器生產(chǎn)領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)和市場(chǎng)份額［3］。

安泰科技設(shè)有國(guó)家非晶微晶工程技術(shù)研究中心，主要定位是加速非晶微晶科研成果的工程化和產(chǎn)業(yè)化。目前該公司擁有5條帶材生產(chǎn)線，可生產(chǎn)寬度在100 mm以下的不同規(guī)格的鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶帶材和鐵基超微晶帶材，可用于滿足各種特種需求。

2 鐵芯空載損耗影響因素

2.1 鐵芯設(shè)計(jì)參數(shù)的選定

非晶合金鐵芯飽和磁通密度較低，因此，在鐵芯設(shè)計(jì)時(shí)，額定磁通密度不宜選取過(guò)高。圖1為非晶合金鐵芯鐵損曲線，由圖1可知非晶合金鐵芯的空載損耗隨磁通密度的增加而上升，結(jié)合其他特性綜合考慮，磁通密度通常取1.3～1.35 T時(shí)可獲得較理想的空載損耗值。

2.2 制作工藝系數(shù)

圖1 非晶合金鐵芯鐵損曲線（50 Hz）

空載損耗的計(jì)算公式為Po＝Kpo×Pre×Gre。當(dāng)確定了鐵芯的單位損耗Pre及重量Gre后，空載損耗的高低受工藝系數(shù)Kpo的影響很大。工藝系數(shù)Kpo主要與鐵芯受力大小及鐵芯接縫搭接裕度有關(guān)，主要取決于裝配過(guò)程的工藝控制。目前工藝系數(shù)Kpo主要取值為1.33～1.4。

由于非晶合金鐵芯對(duì)機(jī)械應(yīng)力非常敏感，鐵芯受力大將影響其電磁性能，造成空載損耗增加。鐵芯受力越大，空載損耗增加越多。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采取措施，盡可能減少鐵芯受力。裝配時(shí)打開鐵芯接縫、套裝線圈、合上接縫及壓緊線圈等操作均可使鐵芯受力，造成裝配后的部分鐵芯空載損耗比裸鐵芯時(shí)略有增加。因此，在裝配過(guò)程中應(yīng)采用臥式裝配，即線圈平躺，將鐵芯推入線圈再合口。與立式裝配相比臥式不需將鐵芯合口后翻轉(zhuǎn)180°，減少鐵芯裝配過(guò)程受力，有效避免空載損耗的增加，目前90%的非晶變都已采用臥式裝配［4］。在設(shè)計(jì)中采用鐵芯掛在繞組上的結(jié)構(gòu)形式，減少鐵芯受力，要注重提高非晶鐵芯熱退火工藝技術(shù)水平，有效消除鐵芯本身存在的應(yīng)力，避免長(zhǎng)期運(yùn)行后造成空載損耗的增加。

2.3 非晶帶材鐵芯的搭接裕度

由于非晶合金變壓器鐵芯空載損耗大小與運(yùn)行時(shí)鐵芯受壓力成正比，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用鐵芯懸掛式結(jié)構(gòu)，即將鐵芯懸掛在線圈上，以避免鐵芯成為主承力部件，減少鐵芯受力，降低變壓器空載損耗，懸掛式大大降低了空載損耗和空載電流。在鐵芯懸掛在線圈上時(shí)，應(yīng)采用倒掛式，即將斷口朝下。斷口朝下可有效避免斷口裂開，防止由于長(zhǎng)期運(yùn)行造成空載損耗增加。因非晶合金帶材脆性較大，斷口處更易掉落碎片，斷口朝下可使斷口處的碎片直接掉落至變壓器底部，降低其掉入線圈及變壓器油中的概率，保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

非晶合金鐵芯開口處在變壓器裝配過(guò)程中可打開，如圖2所示，打開后可套進(jìn)線圈。套入后需要重新將鐵芯開口合上，合上鐵芯片時(shí)應(yīng)將鐵芯片一組一組按順序合攏，搭接寬度控制在8 mm左右為好。合片時(shí)次序不對(duì)或搭接裕度不足將影響變壓器鐵芯性能，導(dǎo)致空載損耗增加，搭接裕度對(duì)鐵芯空載損耗非常關(guān)鍵。當(dāng)搭接長(zhǎng)度控制在8 mm時(shí)，鐵芯中流過(guò)的磁通最優(yōu)，當(dāng)搭接裕度不足8 mm時(shí)，隨著搭接長(zhǎng)度的減少，磁通密度也隨之降低，導(dǎo)致空載電流增大，空載損耗增加。工人裝配時(shí)的工藝控制、鐵芯受力、鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素都將影響搭接裕度，因此，在鐵芯設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用開口朝下的設(shè)計(jì)方式，避免長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)由于鐵芯掛在繞組上導(dǎo)致開口處受力拉開，造成搭接裕度減少［4］。如圖3所示，帶材所圍成的鐵芯的斷口重疊處最好為8 mm，這樣能滿足裝配工藝要求，通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算得知此時(shí)鐵芯的磁通剛好，此時(shí)的空載損耗也是最小。

圖4、圖5為搭接裕度不足和搭接裕度充分的實(shí)物圖比較。

圖2 非晶合金鐵芯開口

圖3 帶材所圍鐵芯示意圖

圖4 搭接裕度不足實(shí)物圖

圖5 搭接裕度充分實(shí)物圖

2.4 制作中的工藝系數(shù)

疊片系數(shù)是指變壓器疊片鐵芯的有效面積系數(shù)。

表1為國(guó)產(chǎn)帶材和進(jìn)口帶材的性能對(duì)比表，其中1K101－A2和1K101－A1為國(guó)產(chǎn)帶材，2605SA1為進(jìn)口帶材型號(hào)。

表1 非晶合金帶材性能對(duì)比

由表1可以看出，進(jìn)口帶材的疊片系數(shù)一般高于國(guó)產(chǎn)帶材。

影響疊片系數(shù)的主要原因：帶材表面劃痕、網(wǎng)點(diǎn)、平整度影響疊片系數(shù)，帶材表面有劃痕、網(wǎng)點(diǎn)及帶材之間相互重疊將產(chǎn)生一定的縫隙，影響帶材的平整度，疊片系數(shù)便會(huì)降低；帶材的橫向公差將影響疊片系數(shù)，帶材的橫向公差即帶材的左右厚度差異，橫向公差大說(shuō)明帶材左右厚度差異較大，這樣帶材重疊時(shí)縫隙也較大，將影響帶材的平整度，使疊片系數(shù)降低。

總體說(shuō)來(lái)，帶材的平整度降低意味著疊片系數(shù)降低，磁通自然也將降低，導(dǎo)致空載損耗增加，因此，疊片系數(shù)對(duì)空載損耗有一定的影響［5］。

3 國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口帶材的空載損耗

為分析對(duì)比國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口帶材的空載損耗，挑選了同一廠家、同一容量的國(guó)產(chǎn)帶材鐵芯變壓器和進(jìn)口帶材鐵芯變壓器做抽檢試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 同廠家同容量不同帶材變壓器對(duì)比

由表2可看出，對(duì)于同一廠家而言，2010年、2011年國(guó)產(chǎn)帶材非晶合金變壓器受制造水平限制，空載損耗過(guò)大，沈陽(yáng)三江變壓器廠生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)帶材非晶變空載損耗高達(dá)0.175 kW，遠(yuǎn)高于進(jìn)口帶材的0.158 kW。2012年，對(duì)比同廠家同容量非晶合金變壓器可以看出，國(guó)產(chǎn)帶材制造的非晶變空載損耗已接近進(jìn)口帶材，容量100 kVA的變壓器空載損耗可控制在0.065 kW左右，但是略高于進(jìn)口帶材。2014年，國(guó)產(chǎn)帶材非晶合金變壓器空載損耗已與進(jìn)口帶材不相上下，甚至低于進(jìn)口帶材。2012年以后，采用國(guó)產(chǎn)帶材制造的非晶合金變壓器空載損耗有了明顯下降，2012年基本降到標(biāo)準(zhǔn)水平，2014年已優(yōu)于進(jìn)口帶材。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了影響非晶合金變壓器鐵芯空載損耗的因素，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外非晶合金變壓器鐵芯帶材生產(chǎn)制造商鐵芯帶材空載損耗值進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)果表明，隨著國(guó)產(chǎn)帶材生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)帶材的各項(xiàng)性能已逐步追平甚至超過(guò)進(jìn)口帶材。

［1］易吉良.非晶合金變壓器的節(jié)能性及節(jié)材設(shè)計(jì)［J］.電氣工業(yè)，2008，20（12）：84－85.

［2］汪永華，陳化鋼.非晶合金變壓器及其在城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造中的應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2000，21（4）：41－42.

［3］黃海燕.非晶合金變壓器的節(jié)能效果及應(yīng)用［J］.華中電力，2008，21（4）：72－73.

［4］于在明.非晶合金變壓器故障原因分析［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（3）：60－62.

［5］薛金喜.非晶合金變壓器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用效果及前景分析［J］.中國(guó)電力教育，2012，29（3）：150－151.

Analysis on Domestic and Overseas Core Load Loss of Amorphous Alloy Transformer

CHEN Hao1，ZHANG Lu2，YU Zai?ming1，GUO Tie1，WANG Nan1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Liaoning Electric Power Construction Supervision Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper analyzes important factors of amorphous alloy core transformer no?load loss and conduct comparative anlysis of domestic and foreign technology frontier strip of amorphous alloy core transformer load loss value，the results show that with the domes?tic production of technology development，the performance of domestic strip has gradually rival or even exceed imports strip.

Distribution transformer；Amorphous alloy；Core strip；Load loss

TM41

A

1004－7913（2016）05－0010－03

陳 浩（1987—），男，碩士，工程師，從事變壓器技術(shù)管理和科研工作。

2016－02－21）