非晶合金變壓器的節能技術

上海置信電氣股份有限公司

1 非晶合金技術

每一項新產品的誕生離不開新材料的誕生。非晶合金變壓器亦如是。

1971年美國聯信公司研制出牌號為金屬玻璃的薄鋼帶，簡稱非晶合金帶材，主要以78%-81%鐵、13.5%硼、3.5-8%硅，并加人少量鎳、鉆等多種金屬元素合成，當時僅能做成20-30 mm寬帶的形材。現主要有142.2mm，170.2mm和213.4mm這三種帶寬。目前聯信公司已把該項技術轉讓給日本日立公司。

非晶合金帶材的加工工藝主要有5個步驟，見圖1。雖然步驟少，但在噴鑄過程中需每秒百萬度的冷卻速率，依靠此工藝來確保金屬來不及結晶，形成非晶體結構，因此稱作非晶合金帶材。此帶材最顯著的特點就是大大降低了鐵芯的損耗。

圖1 非晶合金帶材生產工藝流程圖

非晶合金帶材與硅鋼片物理性能對比見表1。從表1中可看到，非晶合金帶材非常薄，僅有0.027mm左右，是普通硅鋼片的1/10，而鐵芯損耗主要由渦流損耗和磁滯損耗組成。渦流損耗與鐵芯帶材的厚度成正比，而磁滯損耗是鐵芯在勵磁過程中的反作用力，與材料磁滯回線面積成正比。

非晶合金帶材的誕生對于變壓器行業來說是一次巨大的震動。1978年美國GE公司開始研制非晶合金變壓器。1982年美國能源部撥款800萬美元給GE、EPPI、ESEER公司，并制造了第一臺15kVA單相非晶合金變壓器。至今發展只有短短三十年，但發展非常迅速。

表1 非晶合金帶材與硅鋼片物理性能對比

2 引進吸收

基于非晶合金變壓器的優點，國內于1985年開始研制開發非晶合金變，也試制成功了幾臺非晶合金變壓器，但由于工藝落后，產品質量有待提高，因此一直得不到長足的發展。

上海置信在1998年與美國GE公司簽訂了技術轉讓協議，引進了非晶合金變壓器設計和加工工藝技術，并不斷改進、完善，經過十年的努力，非晶合金變壓器的優勢得到了用戶的認可，取得了飛速的發展。2010年，上海置信參與編制了國家標準GB/T 25446-2010《油浸式非晶合金鐵心配電變壓器技術參數和要求》和GB/T 22072-2010《干式非晶合金鐵心配電變壓器技術參數和要求》。置信公司年生產能力從2000臺發展至4萬臺，通過引進、吸收、自主開發，形成了非晶合金油浸變，非晶合金干變，非晶合金地下變，非晶合金組合式變壓器，非晶合金歐變等7大品種，已獲國家授權專利103項，其中發明專利17項。

目前置信公司是國內公認的最專業、最大的非晶合金變壓器生產企業，“置信”品牌成為國家電網公司、南方電網公司、全國重點工程和大中型企業采購非晶合金變壓器的首選品牌。在北京奧運會、上海世博會、上海虹橋樞紐等重大工程中均有上海置信非晶合金變壓器的身影。

3 節能效益

為什么非晶合金變壓器會取得這么大的發展？毫無疑問是非晶合金變壓器的節能效益。

變壓器在運行過程中有兩大損耗：空載損耗和負載損耗。變壓器空載損耗俗稱鐵芯損耗，變壓器投運后即一直存在，除非停電檢修，而此損耗值基本不變。變壓器負載損耗俗稱繞組損耗，主要是由電阻損耗和漏磁場引起的雜散損耗組成，與變壓器電流的平方成正比。上述損耗量值可通過相應試驗得到，試驗過程中我們還可以得到另兩個重要參數，分別是空載電流和短路阻抗，這兩個參數基本可近似看作是空載和負載時的無功損耗。雖然無功損耗的過程是從電網吸收能量暫存起來，再還給電網，好象沒有損失，但這部分無用功會增加電網容量，影響線路損耗，同樣不容忽視。

我們衡量變壓器的節能效益主要是兩方面，一方面是經濟效益，目前通用的計算稱為“總擁有費用法（TOC）”。其公式如下：

式中TOC：總擁有費用(元)

C：變壓器售價(元)

A：變壓器壽命期間空載損耗每千瓦資本費用(元/kW)

B：變壓器壽命期間負載損耗每千瓦資本費用(元/kW)

P0：空載損耗；Pk：負載損耗；Sn：額定容量

k1：無功功率經濟當量

Z：短路阻抗無功分量(%)，一般計總阻抗

I0：空載電流無功分量(%)，一般計總空載電流

式中k2：計及利率和通貨膨脹的現值系數

E：電費(元/kWh)

h1：年空載運行小時數(h)

h2：折算至計算容量時的年負載運行小時數(h)；

PL：負載系數（計算容量/額定容量）；

β：根據年總負載損耗折算的年平均負載率

式中a：年通貨膨脹率(%)；

i：年利率(%)；

n：使用年限（年）

公式（1）分為兩部分，一部分是售價，也就是變壓器成本，另一部分就是變壓器使用壽命期內總的運行損耗的費用折算至現在。假設，i=7%，n=20年，a=0%（一般銀行的貸款利率已考慮通貨膨脹率），則現值系數k2=10.59，也就是說20年總的運行損耗費用相當于現在一年的10.59倍。實際上，k2與n的計算公式也是回收年限的計算公式，假設變壓器售價相差8萬，每年運行損耗費用可節省2萬，則現值系數為k2=8/2=4，回收年限n=4.86（i，a同上）。非晶合金變壓器與部分硅鋼片變壓器節能對比見表2。

除了經濟效益，節能的另一方面是巨大的社會效益。假設現有12萬臺500kVA非晶合金變壓器替代老舊的S7型硅鋼片變壓器，每年可節約18.16億kWh電量，以3.16克/kWh標準煤計，可節約57.4萬噸標準煤，少排放143.5萬噸CO2。同時，國家可以少建相應的發電廠，也降低了發電線路的損耗。因此國家鼓勵企業使用節能產品，并予以相應補助，使得社會與企業共享這部分效益。

4 非晶合金變壓器的發展

正因為用戶的認可和國家政策的利好，非晶合金變壓器才取得了很大的發展。

表2 非晶合金變壓器與部分硅鋼片變壓器節能對比

但“一陰一陽之謂道”，對于一個產品來說也是如此，沒有絕對的好，也沒有絕對的壞。非晶合金變壓器節能效果是顯著的，但它也有不足之處，所以我們利用它節能的一面，同時又要克服它的缺點。

首先，非晶合金帶材磁飽和密度只有1.54T，因此相對于硅鋼片變壓器來說，非晶合金鐵芯截面大，用量也大，變壓器成本一般是硅鋼片的1.3倍。目前這一差距用戶可以接受，如果成本差距再拉大，從回收年限來說用戶可能無法接受，但總擁有費用還是低的。對于能源日漸短缺的社會，我們認為節能產品能在產品使用年限中能最終收回投資，對國家、社會還是有利的，實際上對企業也是有利的，因為唇齒相依。當然作為非晶合金變壓器生產企業在保證質量的前提下應努力降低成本。

其次，非晶合金帶材太薄，較脆，無法承受較大的壓力，因此非晶合金變壓器裝配過程十分關鍵，而且鐵芯為矩形截面，相對于圓形來說，承受短路能力略差，所以非晶合金變壓器在設計和加工過程尤其需要注意，如低壓采用箔繞，層間能固化成整體等。

另外，非晶合金帶材的磁致伸縮大于硅鋼片，總體來說非晶合金變壓器噪聲要大于硅鋼片變壓器。因此如何降低非晶合金變壓器的噪聲是我們需要不斷深入的課題，雖然通過十多年的努力，置信公司500kVA及以下變壓器完全可以做到45dB以下。

我們對非晶合金變壓器的市場前景充滿信心，但需要所有生產企業同心協力，共同克服非晶合金變壓器的不足之處，做好產品質量，使之滿足用戶要求，才能維系住這來之不易的市場。