趙 麗,何關金
(1.伊戈爾電氣股份有限公司,廣東 佛山 528000;2.廣東順德創(chuàng)新設計研究院,廣東 佛山 528000)
非晶合金材料的特點及其鐵心變壓器發(fā)展方向之研究
趙 麗1,何關金2
(1.伊戈爾電氣股份有限公司,廣東 佛山 528000;2.廣東順德創(chuàng)新設計研究院,廣東 佛山 528000)
文章首先簡要闡述了非晶合金材料的特點,并分析了非晶合金鐵心變壓器的結構。在此基礎上,對非晶合金鐵心變壓器的應用前景及發(fā)展方向進行論述。期望通過研究,能夠對非晶合金鐵心變壓器的推廣應用及電力系統(tǒng)能耗的降低有所幫助。
非晶合金;變壓器;節(jié)能
在冶金材料中,金屬或合金屬于晶態(tài)結構材料,這類材料中的原子呈有序排列,其點陣結構具備周期性特點。而非晶合金是指在液態(tài)或氣態(tài)物質在急速冷凝固狀態(tài)下,合金原子中的結晶未能有序排列,使得固態(tài)合金原子呈現(xiàn)出無序結構,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、硬度和強度。非晶合金的構成元素為80%的鐵元素和20%的硅元素,具有高飽和磁感應強度,相比較硅鋼片而言,其在磁導率、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,當前已經被廣泛應用于大功率開關電源、磁放大器、逆變器以及各類型變壓器中。
由于非晶合金材料的加工工藝較為復雜,在現(xiàn)有的技術條件下,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。從其結構形式上看,具體是將下鐵軛部分設計成交錯搭接的開口單卷卷鐵心結構。三相五柱式是一種用于非晶合金變壓器鐵心結構較為普遍的形式,如圖1所示。
圖1 三相五柱式鐵心結構示意圖
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。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遠低于常規(guī)變壓器,這一特點在實際應用中得到了驗證。此外,在一些電力負荷波動變化較大的領域中,如公路、城市基礎設施、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,經濟效益十分明顯。在環(huán)保方面,通過相關的技術檢測結果可知,將非晶合金鐵心用于油浸式變壓器時,能夠減少各類有害氣體的排放,如一氧化碳、氧化硫、氮氣等等,這對于降低大氣污染較為有利。
作為發(fā)展中國家,我國的能源消費增長速度加快,同時,能源緊缺也是一個不爭的事實。為此,國家將節(jié)能作為了一項重要的基本國策。隨著城鄉(xiāng)電網改造進程的不斷加快,國電總公司相繼實行了更換S9型節(jié)能變、停產S7型和淘汰電網中64及73系列的高能耗變壓器等措施,這對電網線損的降低起到了一定的作用。據(jù)相關調查統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果顯示,現(xiàn)階段我國輸配電損耗約占電力總產量的7%左右,由此導致了電力利用率有所降低,大量的電能白白浪費,因此降低變壓器損耗成為節(jié)能降耗的當務之急。配變是電力傳輸系統(tǒng)的關鍵設備,其數(shù)量多、運行時間長、節(jié)能潛力巨大。隨著電力工作者對非晶合金材料優(yōu)點的逐步認識,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當中的大規(guī)模應用,能夠發(fā)揮出不可估量的節(jié)能作用,由此產生的經濟效益和社會效益非常巨大。不僅如此,還有利于電能質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,將會使運營成本大幅度降低,由此帶來的經濟效益是非常巨大的,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)實意義。
與優(yōu)質冷軋硅鋼片相比,非晶合金材料的價格略高,加之其工作磁密度略低,需要使用大量的導線,使得非晶合金鐵心配電變壓器的價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的能耗情況下,可在非晶配變價格高于硅鋼片配變30%以內時,選擇安裝非晶配變是最為經濟的方案。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,使得非晶配變即便售價過高,也仍具備良好的投資價值。對于工廠企業(yè)而言,選擇非晶變壓器時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)省電費支出,使得多支出的這部分資金基本會在4~5年內回收。對于電力系統(tǒng)而言,線路損失是重要經濟考核指標,選用非晶變壓器可有效降低線損,提高供電經濟效益。
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