非晶合金變壓器應(yīng)用研究

燕　妮（河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南鄭州450007）

非晶合金變壓器應(yīng)用研究

燕妮（河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shí)踐意義。站用變損耗由空載損耗和負(fù)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(duì)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(jì)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(yùn)行成本，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(diǎn)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(guó)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(guó)在電網(wǎng)運(yùn)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(qiáng)對(duì)非晶合金變壓器在變電站中應(yīng)用研究，可推動(dòng)非晶合金變壓器在全國(guó)范圍內(nèi)得到推廣使用，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1.2論文研究?jī)?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(duì)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(jié)構(gòu)和技術(shù)性能，分析了其負(fù)載損耗和空載損耗；

（2）以上海碧海220kV變電站為依托，對(duì)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(jì)效益，得出站用變?cè)诓捎梅蔷Ш辖鹱儔浩骱螅梢燥@著降低站用變損耗、減少站用變運(yùn)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(jié)構(gòu)

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(jìn)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(dāng)薄，僅為0.03mm，具有相當(dāng)大的硬度，具有剪切困難的缺點(diǎn)，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(jī)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(gè)單獨(dú)鐵芯框，它們同一平面內(nèi)進(jìn)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(zhǎng)方形。單獨(dú)進(jìn)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(jié)構(gòu)，能夠減少維護(hù)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(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，變壓器的性能受制于設(shè)計(jì)與制作工藝。因此在實(shí)際生產(chǎn)變壓器當(dāng)中需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）非晶合金材料具有較低的飽和磁密，進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，變壓器的額定磁密應(yīng)當(dāng)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(hù)，變壓器一般設(shè)計(jì)為全密閉。

（4）考慮到非晶合金片材料的硬度高，設(shè)計(jì)變壓器時(shí)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(jī)械應(yīng)力。設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，應(yīng)拋棄傳統(tǒng)的以鐵芯作為主要承重結(jié)構(gòu)的方式。

（6）非晶合金鐵芯片進(jìn)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(huì)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(shù)性能

三相四框五柱式結(jié)構(gòu)是非晶合金變壓器常用的結(jié)構(gòu)形式，為了減少諧波對(duì)電網(wǎng)可能造成的影響，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，聯(lián)結(jié)組一般使用Dyn11。由于在三相負(fù)荷不平衡的情況下會(huì)導(dǎo)致三相電壓失衡等嚴(yán)重后果，因此三相四框五柱式結(jié)構(gòu)禁止使用Yyn0聯(lián)結(jié)方式。

變壓器的損耗來源主要有兩個(gè)，一個(gè)是變壓器的鐵芯，引起鐵損耗。一個(gè)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(dǎo)線當(dāng)中存在電阻，通電時(shí)就電阻的存在會(huì)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(shí)，由線圈感應(yīng)產(chǎn)生的磁力線會(huì)變化，不斷變化的磁力線會(huì)導(dǎo)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(yīng)規(guī)律，由于鐵芯也為導(dǎo)體，因此變壓器工作過程中磁力線的存在會(huì)使得鐵芯出現(xiàn)感應(yīng)電流，該電流會(huì)自動(dòng)閉合形成旋轉(zhuǎn)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(guān)，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(guān)。鐵芯材料越厚渦流損耗越大，而電阻率成反相關(guān)。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(dá)到后者的3倍，因此，將非晶合金應(yīng)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(dǎo)磁材料通常為30Z140高導(dǎo)磁冷軋硅鋼片，其飽和磁密比非晶合金高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)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(duì)比表

從表1中的統(tǒng)計(jì)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(yùn)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(yùn)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(gè)因素影響，其中最主要的三個(gè)因素分別為負(fù)載率、功率因數(shù)以及變壓器的主要技術(shù)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(jìn)行計(jì)算：

有功功率損耗率為：

式中：P0——空載損耗；

Pk——負(fù)載損耗；

Kt——負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)，一般取1.05；

β——平均負(fù)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(tái)容量為200kVA的35kV站用變壓。遠(yuǎn)期負(fù)荷最大時(shí)，站用變壓器的負(fù)載率約為50%，如考慮負(fù)荷的運(yùn)行方式，站用變壓器的負(fù)載率將更低，可見站用變壓器的負(fù)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(shì)。

站用電接線為單母線分段接線，兩段母線分列運(yùn)行。一類負(fù)荷分別接到兩段母線上，不重要的負(fù)荷可以接至單段母線，每臺(tái)變壓器容量均大于全站所有負(fù)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(yùn)行狀開態(tài)下，兩段母線分列運(yùn)行。在#1站用變出現(xiàn)故障時(shí)，1CB斷。此時(shí)合上分段開關(guān)LCB，由#2站用變接故障段母線運(yùn)行。#1站用變故障排除后，合上1CB，并斷開LCB，站用變恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.2非晶合金變壓器經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(fù)載損耗是一樣的，所以在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(tái)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(jià)測(cè)算，則每臺(tái)非晶合金變壓器全年可節(jié)約電費(fèi)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(jià)格分別約為42000元和32000元，兩者價(jià)格比為1.3倍，計(jì)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(tái)非晶合金變壓器與硅鋼片變壓器之間的差價(jià)。而一臺(tái)變壓器在正常運(yùn)行條件下的使用壽命可達(dá)40年左右，其后的40年可節(jié)約電費(fèi)為65174元。本站采用的兩臺(tái)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(shì)很明顯；同時(shí)，由于其損耗降低，減少了散熱，從而延長(zhǎng)了變壓器的使用壽命，為用戶節(jié)約了維護(hù)和檢修費(fèi)用。可見，非晶合金變壓器的綜合效益十分明顯。

4　結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，能源供應(yīng)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(yīng)用是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(guó)目前正在大力推行的節(jié)能減排盡一份社會(huì)責(zé)任。總之，若能大量推廣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

A

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(shè)計(jì)工作。