燕　妮（河南省電力勘測設計院，河南鄭州450007）

非晶合金變壓器應用研究

燕妮（河南省電力勘測設計院，河南鄭州450007）

站用變損耗是變電站損耗的重要組成部分，故降低站用變損耗具有較大的實踐意義。站用變損耗由空載損耗和負載損耗組成，采用非晶合金材料后，可大幅降低變壓器的空載損耗。論文分析和研究了非晶合金變壓器特性，對比分析變電站站用變采用非晶合金變壓器和S11型硅鋼片變壓器的站用變損耗和經(jīng)濟效益，得出非晶合金變壓器可以顯著降低變壓器損耗、減少站用變運行成本，具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

變電站；非晶合金變壓器

1　非晶合金變壓器研究概述

1.1非晶合金變壓器的研究意義

在配電網(wǎng)的損耗組成中，變壓器損耗約占比30～60%，其中空載損耗約占變壓器損耗的50～80%，因此降低變壓器的損耗是降低配電網(wǎng)損耗的主攻方向和節(jié)能的主要環(huán)節(jié)。

非晶合金變壓器節(jié)能效果明顯，其顯著特點是空載損耗很低，僅為S11系列油浸式變壓器的20%左右，符合國家產(chǎn)業(yè)政策和電網(wǎng)節(jié)能降耗的要求，是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器。

目前我國在電網(wǎng)運行使用的非晶合金變壓器占配電變壓器的比重為7～8%，其余大部分仍是傳統(tǒng)的硅鋼片變壓器。因此，加強對非晶合金變壓器在變電站中應用研究，可推動非晶合金變壓器在全國范圍內(nèi)得到推廣使用，達到節(jié)能減排的效果。

1.2論文研究內(nèi)容

站用變損耗作為變電站損耗的重要組成部分，而非晶合金變壓器可以極大的降低站用變空載損耗，本文基于對非晶合金變壓器的分析主要工作如下：

（1）首先分析和研究了非晶合金變壓器特性，介紹了其工藝結構和技術性能，分析了其負載損耗和空載損耗；

（2）以上海碧海220kV變電站為依托，對比分析了站用變采用非晶合金變壓器和S11型硅鋼片變壓器的站用變損耗和經(jīng)濟效益，得出站用變在采用非晶合金變壓器后，可以顯著降低站用變損耗、減少站用變運行成本。

2　非晶合金變壓器的特性分析

2.1非晶合金變壓器的工藝結構

非晶合金是先將鐵、鎳、硼、鈷、硅和碳等材料熔化使其在液態(tài)的狀況下迅速進行冷卻，一次性形成金屬薄片，該種合金不存在晶格或晶界，被稱作非晶合金。非晶合金材料工藝主要流程如圖1所示。非晶合金分為三類，分別為鐵鎳基非晶合金、鐵基非晶合金以及鈷基非晶合金，合金厚度相當薄，僅為0.03mm，具有相當大的硬度，具有剪切困難的缺點，最大寬度為210mm左右，具有很好的壓力敏感性，但是鐵芯與繞組需要具有各自的機械支撐系統(tǒng)。

圖1　非晶合金變壓器加工工藝流程圖

非晶合金變壓器的組成主要為四個單獨鐵芯框，它們同一平面內(nèi)進行組合，以組成三相五柱式，退火處理是制作變壓器的必須流程，并帶有交叉鐵軛接縫，截面呈長方形。單獨進行繞組的制作，其形式一般為矩形層式，層數(shù)可以是雙層或多層。油箱采用全密封波紋結構，能夠減少維護方面的麻煩。

非晶合金鐵芯變壓器在空載情況下具有較低的損耗值，這是其較為突出的優(yōu)點。在實際生產(chǎn)過程中，變壓器的性能受制于設計與制作工藝。因此在實際生產(chǎn)變壓器當中需要注意以下幾點：

（1）非晶合金材料具有較低的飽和磁密，進行設計過程中，變壓器的額定磁密應當根據(jù)材料自身的磁密，為盡可能降低空載損耗值，磁密值一般選取1.3～1.35T。

（2）非晶合金材料厚度為 0.03mm，其疊片系數(shù)一般在82～86%。

（3）為了減少維護，變壓器一般設計為全密閉。

（4）考慮到非晶合金片材料的硬度高，設計變壓器時減少剪切非晶合金材料的次數(shù)。

（5）由于非晶合金敏感于機械應力。設計傳感器時，應拋棄傳統(tǒng)的以鐵芯作為主要承重結構的方式。

（6）非晶合金鐵芯片進行退火處理，以獲得更好的低損耗。

（7）制作非晶合金變壓器過程中，不能將非晶合金片壓縮的過緊，否則將會使變壓器在使用過程中噪音增大。

2.2非晶合金變壓器技術性能

三相四框五柱式結構是非晶合金變壓器常用的結構形式，為了減少諧波對電網(wǎng)可能造成的影響，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，聯(lián)結組一般使用Dyn11。由于在三相負荷不平衡的情況下會導致三相電壓失衡等嚴重后果，因此三相四框五柱式結構禁止使用Yyn0聯(lián)結方式。

變壓器的損耗來源主要有兩個，一個是變壓器的鐵芯，引起鐵損耗。一個是線圈中含有的阻抗，引起銅損耗。

2.2.1非晶合金變壓器銅損耗

變壓器的線圈使用的材料為絕緣銅線，由于銅導線當中存在電阻，通電時就電阻的存在會產(chǎn)生熱量，降低變壓器的工作效率。銅損耗的大小取決于銅材料的選擇以及變壓器的制造工藝。

2.2.2非晶合金變壓器鐵損耗

變壓器中由于鐵芯引起的鐵損耗包括兩部分，渦流損耗以及磁滯損耗。交流電通過變壓器時，由線圈感應產(chǎn)生的磁力線會變化，不斷變化的磁力線會導致鐵芯內(nèi)部出現(xiàn)摩擦，產(chǎn)生能量損耗，該損耗即為磁滯損耗。

由電磁感應規(guī)律，由于鐵芯也為導體，因此變壓器工作過程中磁力線的存在會使得鐵芯出現(xiàn)感應電流，該電流會自動閉合形成旋轉狀的環(huán)流，因此被稱作渦流，由渦流產(chǎn)生的能量消耗稱為渦流損失。

變壓器的磁滯損耗與磁滯回路包含在內(nèi)的面積成正相關，與冷軋硅鋼片相比，非晶合金的矯頑力約是后者的1/7，它所包含的面積較小，因此從磁滯損耗方面來講，非晶合金變壓器的損耗能夠大大降低。渦流損耗與鐵芯材料以及電阻率有關。鐵芯材料越厚渦流損耗越大，而電阻率成反相關。非晶合金材料具有較薄的厚度，且與冷軋硅鋼片相比，電阻率能達到后者的3倍，因此，將非晶合金應用到變壓器的制作上，能夠極大的降低由鐵芯引起的渦流損耗。

目前廣泛采用的S11型變壓器，其鐵心所采用的導磁材料通常為30Z140高導磁冷軋硅鋼片，其飽和磁密比非晶合金高，產(chǎn)品設計時所選取的磁通密度通常在1.65～1.75T之間。這也就是非晶合金鐵心變壓器比S11型變壓器空載損耗低的一個主要原因。表1為三相非晶合金鐵心變壓器與S11型變壓器空載損耗值的比較。

表1　SH15型非晶合金和S11型變壓器空載損耗值對比表

從表1中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，通過采用非晶合金材料，變壓器的空載損耗降低了70～80%。相比傳統(tǒng)硅鋼片鐵芯變壓器，空載損耗大幅降低，是目前非常理想的低損耗節(jié)能變壓器。由于損耗低，非晶合金變壓器發(fā)熱少、溫升低，運行性能非常穩(wěn)定。

2.2.3非晶合金變壓器有功損耗率

變壓器的有功損耗率是指變壓器在運行過程中有功的損耗功率與總有功功率的比值。變壓器的有功損耗率受到多個因素影響，其中最主要的三個因素分別為負載率、功率因數(shù)以及變壓器的主要技術性能參數(shù)。

非晶合金變壓器的有功損耗為功率可以按照下式進行計算：

有功功率損耗率為：

式中：P0——空載損耗；

Pk——負載損耗；

Kt——負載波動損耗系數(shù)，一般取1.05；

β——平均負載率；

SN——變壓器額定容量；

cosθ——平均功率因數(shù)。

3　站用變選型

3.1站用變壓器選擇

以上海碧海220kV變電站為例，選用2臺容量為200kVA的35kV站用變壓。遠期負荷最大時，站用變壓器的負載率約為50%，如考慮負荷的運行方式，站用變壓器的負載率將更低，可見站用變壓器的負載率較低，選擇空載損耗低的非晶合金變壓器作為站用變將具有很明顯的優(yōu)勢。

站用電接線為單母線分段接線，兩段母線分列運行。一類負荷分別接到兩段母線上，不重要的負荷可以接至單段母線，每臺變壓器容量均大于全站所有負荷容量之和。站用電接線原理圖如圖2所示。

圖2　站用電接線圖

正常運行狀開態(tài)下，兩段母線分列運行。在#1站用變出現(xiàn)故障時，1CB斷。此時合上分段開關LCB，由#2站用變接故障段母線運行。#1站用變故障排除后，合上1CB，并斷開LCB，站用變恢復正常運行。

3.2非晶合金變壓器經(jīng)濟效益分析

選用非晶合金變壓器作為站用變，與S11型硅鋼片變壓器相比，其年節(jié)約電能量是相當可觀的。容量為200kVA的非晶合金35kV變壓器空載損耗P0=130W，S11型硅鋼片變壓器空載損耗為P0′=440W。由于兩種變壓器的負載損耗是一樣的，所以在運行狀態(tài)時，相比之下非晶合金變壓器降低有功功率損耗P0′-P0=310W。則一臺非晶合金變壓器每年可減少的電能損耗為：W0′-W0=8760×（P0′-P0）=2715.6kWh。

若按0.6元/度電價測算，則每臺非晶合金變壓器全年可節(jié)約電費約為1629.36元/年。

目前35kV的200kVA非晶合金變壓器和同規(guī)格硅鋼片變壓器價格分別約為42000元和32000元，兩者價格比為1.3倍，計算后可以得出，大約需要5年，通過節(jié)約電能，即可收回每臺非晶合金變壓器與硅鋼片變壓器之間的差價。而一臺變壓器在正常運行條件下的使用壽命可達40年左右，其后的40年可節(jié)約電費為65174元。本站采用的兩臺站用變共可節(jié)約130348元。

綜合以上分析可以得出，從全壽命周期來看，采用非晶合金變壓器的優(yōu)勢很明顯；同時，由于其損耗降低，減少了散熱，從而延長了變壓器的使用壽命，為用戶節(jié)約了維護和檢修費用?？梢?，非晶合金變壓器的綜合效益十分明顯。

4　結論

隨著我國經(jīng)濟建設的高速發(fā)展，能源供應越來越緊張，特別是電力供需矛盾更顯突出，因此抓好節(jié)能產(chǎn)品的推廣應用是當前經(jīng)濟建設中不容忽視的一環(huán)。

由以上分析可知，非晶合金變壓器節(jié)能效果顯著，降低了能源在源頭上的損耗，使其成為新一代綠色環(huán)保產(chǎn)品。

非晶合金變壓器的推廣，可以為我國目前正在大力推行的節(jié)能減排盡一份社會責任?？傊裟艽罅客茝V采用三相非晶合金鐵心變壓器產(chǎn)品，其最終將獲得節(jié)能與環(huán)保兩方面的效益。

TM41

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2095-2066（2016）26-0024-02

2016-9-2

燕 妮（1984-），女，工程師，研究生，主要從事變電站電氣設計工作。