非晶合金變壓器國內外鐵芯帶材空載損耗比對分析

陳 浩，張 璐，于在明，郭 鐵，王 楠

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧電力建設監理有限公司，遼寧 沈陽 110006）

試驗與研究

非晶合金變壓器國內外鐵芯帶材空載損耗比對分析

陳 浩1，張 璐2，于在明1，郭 鐵1，王 楠1

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧電力建設監理有限公司，遼寧 沈陽 110006）

分析了影響非晶合金變壓器鐵芯空載損耗的重要因素，并對國內外技術前沿非晶合金變壓器鐵芯帶材空載損耗值進行比對分析，結果表明，隨著國產帶材生產技術的發展，國產帶材的各項性能已逐步追平甚至超過進口帶材。

配電變壓器；非晶合金；鐵芯帶材；空載損耗

隨著我國經濟的快速發展，基礎建設迅速擴張，配電變壓器作為輸配電系統的重要設備，其需求量呈較大、較快的增長趨勢。我國農村電網負荷呈較強的季節性，配電變壓器輕載或空載運行時間較長，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、應用范圍廣、運行時間長，因此具有很大的節能潛力［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，是頗具應用潛力的電力節能設備。由于目前國內非晶合金配電變壓器制造商的生產工藝參差不齊，產品性能差異較大，且缺乏對其節能效果的合理評價和宣傳，用戶基本持觀望態度，因此，在選擇非晶合金變壓器鐵芯帶材上，國內鐵芯帶材制造商尚不占優勢［2］。針對這一情況，分析了影響非晶合金變壓器鐵芯空載損耗的因素，并對國內外技術前沿的非晶合金變壓器鐵芯帶材生產制造商的鐵芯帶材空載損耗值進行比對分析。

1 國內外非晶合金帶材發展情況

在20世紀80年代，美國聯信公司是世界上唯一一家能商業化生產非晶合金帶材的企業，而后該公司逐步開始發展中國非晶合金市場。受美國聯信公司影響，90年代初期，我國變壓器企業開始全部使用該公司的非晶帶材進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第一家專業生產非晶合金變壓器的企業，使用美國通用電氣公司變壓器技術制造非晶合金變壓器。1990—2003年，我國具備非晶變壓器制造技術的企業只有20多家，當時國內市場非晶帶材的用量非常有限，僅1 000多t，且當時國產帶材非晶合金鐵芯產品質量很不穩定。自2005年，北京中機聯供股份有限公司實現了自主研發生產設備到制造工業整套非晶合金變壓器的鐵芯生產技術，帶動了安泰科技股份有限公司從事國產非晶帶材的商業化生產，形成了萬噸級的國產非晶帶材生產規模，并逐步擴大生產能力。

目前市場上的重要非晶合金帶材生產公司有日立金屬和安泰科技，分別生產進口帶材和國產帶材。

日立金屬是目前世界上最大的非晶帶材生產商，技術水平和生產規模均處于領先水平。其生產的SA1帶材是目前行業標準，在此技術上，日立金屬開發了新一代帶材HB1。與SA1相比，HB1的矯頑力降低25%，令鐵損進一步減少。另外，HB1的飽和磁通密度比SA1提高了5%，有利于變壓器設計小型化，減少帶材、銅、油等用料消耗。在產能規模方面，2007年年產量已達5.2萬t，2009年產能達到8萬t，2015年產能已達到15萬t。在市場策略方面，日立科技非常注重下游產業鏈市場與客戶的培育，通過各種形式與途徑在變壓器生產企業、電網企業推介非晶合金材料，通過培育重點客戶、典型市場持續提升其在變壓器生產領域的話語權和市場份額［3］。

安泰科技設有國家非晶微晶工程技術研究中心，主要定位是加速非晶微晶科研成果的工程化和產業化。目前該公司擁有5條帶材生產線，可生產寬度在100 mm以下的不同規格的鐵基、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 鐵芯設計參數的選定

非晶合金鐵芯飽和磁通密度較低，因此，在鐵芯設計時，額定磁通密度不宜選取過高。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，結合其他特性綜合考慮，磁通密度通常取1.3～1.35 T時可獲得較理想的空載損耗值。

2.2 制作工藝系數

圖1 非晶合金鐵芯鐵損曲線（50 Hz）

空載損耗的計算公式為Po＝Kpo×Pre×Gre。當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Kpo的影響很大。工藝系數Kpo主要與鐵芯受力大小及鐵芯接縫搭接裕度有關，主要取決于裝配過程的工藝控制。目前工藝系數Kpo主要取值為1.33～1.4。

由于非晶合金鐵芯對機械應力非常敏感，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。在結構上應采取措施，盡可能減少鐵芯受力。裝配時打開鐵芯接縫、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略有增加。因此，在裝配過程中應采用臥式裝配，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180°，減少鐵芯裝配過程受力，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］。在設計中采用鐵芯掛在繞組上的結構形式，減少鐵芯受力，要注重提高非晶鐵芯熱退火工藝技術水平，有效消除鐵芯本身存在的應力，避免長期運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行時鐵芯受壓力成正比，故在設計時應采用鐵芯懸掛式結構，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，應采用倒掛式，即將斷口朝下。斷口朝下可有效避免斷口裂開，防止由于長期運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，保證變壓器安全穩定運行。

非晶合金鐵芯開口處在變壓器裝配過程中可打開，如圖2所示，打開后可套進線圈。套入后需要重新將鐵芯開口合上，合上鐵芯片時應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。合片時次序不對或搭接裕度不足將影響變壓器鐵芯性能，導致空載損耗增加，搭接裕度對鐵芯空載損耗非常關鍵。當搭接長度控制在8 mm時，鐵芯中流過的磁通最優，當搭接裕度不足8 mm時，隨著搭接長度的減少，磁通密度也隨之降低，導致空載電流增大，空載損耗增加。工人裝配時的工藝控制、鐵芯受力、鐵芯結構設計等因素都將影響搭接裕度，因此，在鐵芯設計時，應盡量采用開口朝下的設計方式，避免長期運行時由于鐵芯掛在繞組上導致開口處受力拉開，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，通過試驗、計算得知此時鐵芯的磁通剛好，此時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 搭接裕度不足實物圖

圖5 搭接裕度充分實物圖

2.4 制作中的工藝系數

疊片系數是指變壓器疊片鐵芯的有效面積系數。

表1為國產帶材和進口帶材的性能對比表，其中1K101－A2和1K101－A1為國產帶材，2605SA1為進口帶材型號。

表1 非晶合金帶材性能對比

由表1可以看出，進口帶材的疊片系數一般高于國產帶材。

影響疊片系數的主要原因：帶材表面劃痕、網點、平整度影響疊片系數，帶材表面有劃痕、網點及帶材之間相互重疊將產生一定的縫隙，影響帶材的平整度，疊片系數便會降低；帶材的橫向公差將影響疊片系數，帶材的橫向公差即帶材的左右厚度差異，橫向公差大說明帶材左右厚度差異較大，這樣帶材重疊時縫隙也較大，將影響帶材的平整度，使疊片系數降低。

總體說來，帶材的平整度降低意味著疊片系數降低，磁通自然也將降低，導致空載損耗增加，因此，疊片系數對空載損耗有一定的影響［5］。

3 國產和進口帶材的空載損耗

為分析對比國產和進口帶材的空載損耗，挑選了同一廠家、同一容量的國產帶材鐵芯變壓器和進口帶材鐵芯變壓器做抽檢試驗，試驗結果如表2所示。

表2 同廠家同容量不同帶材變壓器對比

由表2可看出，對于同一廠家而言，2010年、2011年國產帶材非晶合金變壓器受制造水平限制，空載損耗過大，沈陽三江變壓器廠生產的國產帶材非晶變空載損耗高達0.175 kW，遠高于進口帶材的0.158 kW。2012年，對比同廠家同容量非晶合金變壓器可以看出，國產帶材制造的非晶變空載損耗已接近進口帶材，容量100 kVA的變壓器空載損耗可控制在0.065 kW左右，但是略高于進口帶材。2014年，國產帶材非晶合金變壓器空載損耗已與進口帶材不相上下，甚至低于進口帶材。2012年以后，采用國產帶材制造的非晶合金變壓器空載損耗有了明顯下降，2012年基本降到標準水平，2014年已優于進口帶材。

4 結束語

分析了影響非晶合金變壓器鐵芯空載損耗的因素，通過對國內外非晶合金變壓器鐵芯帶材生產制造商鐵芯帶材空載損耗值進行比對分析，結果表明，隨著國產帶材生產技術的發展，國產帶材的各項性能已逐步追平甚至超過進口帶材。

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

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

［3］黃海燕.非晶合金變壓器的節能效果及應用［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，2014，35（3）：60－62.

［5］薛金喜.非晶合金變壓器的設計、應用效果及前景分析［J］.中國電力教育，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，從事變壓器技術管理和科研工作。

2016－02－21）