非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的技術性能研究

／機械工業(yè)北京電工技術經(jīng)濟研究所 崔鶴松 ／

非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的技術性能研究

／機械工業(yè)北京電工技術經(jīng)濟研究所 崔鶴松 ／

本文以非晶合金變壓器和常規(guī)硅鋼變壓器的技術性能對比分析為切入點，通過非晶合金材料與硅鋼材料的性能差異，闡述了非晶合金材料的基本特性，通過參數(shù)計算、圖表分析等方式，重點分析了非晶合金變壓器與常規(guī)硅鋼變壓器的空載損耗性能、效率特性、運行節(jié)能性以及綜合性價比，為深入研究非晶合金變壓器的技術特性、充分發(fā)揮其技術性能優(yōu)勢提供重要的參考依據(jù)。

非晶合金；硅鋼；變壓器；技術性能；分析

0 引言

國家《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》明確要求，“十二五”時期電力變壓器的空載損耗至少下降23%，負載損耗至少下降10%。《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》明確要求，“十二五”時期提高能源利用效率，降低變壓器損耗，推廣使用非晶合金變壓器。《配電變壓器能效提升計劃（2015－2017）》明確要求，到2017年底，高效配電變壓器在網(wǎng)運行比例在2015年基礎上提高14%，當年新增量中高效配電變壓器占比達到70%，并明確提出解決非晶合金帶材穩(wěn)定性及非晶合金變壓器鐵心制造工藝等具體問題。可見，非晶合金變壓器已成為新型節(jié)能變壓器的代表。通過對比分析非晶合金變壓器與傳統(tǒng)硅鋼變壓器的技術性能，能夠讓我們更加充分地了解非晶合金變壓器的技術特性，對擴大其應用范圍，充分發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢具有至關重要的意義。

1 非晶合金材料與硅鋼材料的性能對比分析

1.1 非晶合金材料的基本性能分析

非晶合金的內部原子結構呈現(xiàn)“短程有序，長程無序”的特點，短程有序即在相鄰或近鄰原子間具有一定規(guī)律性，長程無序即原子在三維空間內呈無序狀排列。這種獨特的原子結構賦予了非晶合金特殊的物理和化學性能。國內外研究者通過對非晶合金材料的深入研究，總結了其主要技術性能：磁化功率小，損耗低，電阻率高，厚度非常薄，表面不平整，硬度高，脆性大，飽和磁通密度相對較低，矯頑力小，對機械應力敏感[1-10]。

非晶合金按組成成分可分為鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合金、鈷基非晶合金三大類。鐵基非晶合金的飽和磁感應強度最高，磁導率明顯高于硅鋼片，矯頑力及鐵損顯著低于硅鋼片，所以非晶合金變壓器主要采用鐵基非晶合金帶材作為鐵心的原材料。鐵基非晶合金的單位損耗遠低于硅鋼，如表1[11]所示。

非晶合金與硅鋼的主要性能差異可以總結為：

1）非晶合金的電阻率遠高于硅鋼，故其渦流損耗大幅度降低，這使得非晶合金的單位損耗優(yōu)于硅鋼。

2）非晶合金的磁致伸縮程度高于硅鋼，故非晶合金變壓器的噪聲相對較大。但通過退火工藝可以減弱甚至消除非晶合金磁致伸縮對噪聲的貢獻，使得非晶合金變壓器的噪聲水平與硅鋼變壓器相當。

3）非晶合金的厚度比硅鋼薄，表面平整度不如硅鋼好，所以非晶合金變壓器鐵心的疊片填充系數(shù)低于硅鋼變壓器鐵心。

4）非晶合金比硅鋼硬度高，且脆性大，使得剪切和加工難度較大。

5）非晶合金的耐受應力能力比硅鋼差，加工過程中的不當應力會使得單位損耗急劇變化，但通過恰當?shù)耐嘶鸸に嚳梢韵龖Ψ蔷Ш辖鸬挠绊憽?/p>

綜上，采取適當?shù)墓に噺浹a非晶合金性能上的不足，充分發(fā)揮其良好的導磁特性和低損耗特性，非晶合金變壓器才能更具競爭力。

1.2 非晶合金材料與硅鋼材料制備過程對比分析

表1 鐵基非晶合金與硅鋼片主要性能對比

非晶合金變壓器的節(jié)能與環(huán)保不僅指較低的空載損耗，其中非晶合金帶材生產加工過程也能夠體現(xiàn)其高效節(jié)能的產品屬性。硅鋼片作為傳統(tǒng)變壓器的鐵心材料，生產工藝主要有冷軋和熱軋兩種，其中熱軋工藝由于環(huán)保和能耗問題已被國家明令禁止，所以目前應用在變壓器中的硅鋼片基本都是采用冷軋工藝制成。冷軋硅鋼片的生產工序主要有煉鋼、鑄坯、一次冷軋、退火、二次冷軋、二次退火、高溫退火等，生產時需要投入大量的設備與人力，其中多次退火與軋制極其耗能。在制備取向硅鋼帶時，還需要增加酸洗工藝，這將對環(huán)境造成污染。硅鋼片作為變壓器的鐵心材料，需進行表面涂漆工藝，以提高鐵心層間電阻并改善加工性能。非晶合金帶材在制造過程中一般只需要熔融、噴鑄、成帶三道工序，比硅鋼片的生產過程減少了鑄坯、兩次冷軋、兩次退火等6～8道工序，全部制備過程可節(jié)約25%的能源消耗，生產效率也明顯提高。此外，非晶合金帶材的成材率也遠高于硅鋼帶材，有效避免了原材料的浪費，且生產過程中無污染。所以，非晶合金比硅鋼片的制備過程更加節(jié)能環(huán)保。

2 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的性能對比分析

2.1 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的空載損耗性能對比分析

非晶合金變壓器主要應用范圍是城市配電、城鄉(xiāng)用電等配電網(wǎng)領域。目前我國配電網(wǎng)在網(wǎng)運行的配電變壓器中，僅有少量的S9型配電變壓器，S11和S13所占比例較大，隨著非晶合金變壓器的技術不斷成熟，在國家節(jié)能減排政策及國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)等用戶的大力推動下，SH15型非晶合金配電變壓器的應用比例越來越高。《配電變壓器能效提升計劃（2015-2017年）》要求，我國到2017年底基本淘汰1997年前投運的S9及以下型號高耗能配電變壓器，鼓勵推廣使用SH15型“高效”非晶合金變壓器。

非晶合金變壓器之所以被廣泛推薦應用，主要源于其損耗性能明顯低于傳統(tǒng)硅鋼變壓器[2-13]。JB/T 3837《變壓器類產品型號編制方法》標準對三相油浸式電力變壓器的損耗水平做出了規(guī)定，以GB/T 6451－2008《油浸式電力變壓器技術參數(shù)和要求》標準中的技術參數(shù)為基準，損耗水平代號定義為“9”，在此基礎上S10型、S11型、S12型、S13型、SH15型配電變壓器的空載損耗均有不同程度的降低。GB/T 25446－2010《油浸式非晶合金鐵心配電變壓器技術參數(shù)和要求》標準對非晶合金變壓器的技術參數(shù)做出了規(guī)定。表2為30～630kVA容量等級的三相油浸式SH15型非晶合金變壓器與三相油浸式S11型和S13型硅鋼變壓器空載損耗比較情況。

由表2可知，SH15型非晶合金變壓器比S11型硅鋼變壓器空載損耗約降低了65%，比S13型硅鋼配電變壓器空載損耗約降低了48%。

2.2 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的效率特性對比分析

非晶合金變壓器的空載損耗在電網(wǎng)平穩(wěn)運行時，可以近似為一個恒定不變的值，而負載損耗卻隨著用電負荷的變化而變化。用戶在選用和應用非晶合金變壓器時，常常為了降低成本選擇“以小代大”，即以小容量變壓器代替所需的大容量變壓器，以降低初期投入成本，讓非晶合金變壓器長期處于滿負荷或超負荷運行狀態(tài)。實際上，從長期運行經(jīng)濟性上考慮，這種非晶合金變壓器負荷量與運行效率不匹配的方式，并沒有真正實現(xiàn)“降本增效”，反而導致“增本降效”。非晶合金變壓器的負荷量大小可用負載率來衡量，當非晶合金變壓器的負載率在一個合理范圍內，它的運行狀態(tài)和效率會最高。

表2 SH15型非晶合金變壓器與S11型、S13型硅鋼變壓器空載損耗對比情況

非晶合金變壓器的效率實際上就是變壓器輸出有功功率和輸入有功功率的比值[13]。即

式中，η為非晶合金變壓器的效率，%；β為非晶合金變壓器的負載率，%；Sn為非晶合金變壓器的額定容量，kVA；cosΦ為功率因數(shù)；P0為非晶合金變壓器的空載損耗，kW；Pk為非晶合金變壓器額定電流下的負載損耗，kW。

若要非晶合金變壓器的效率最大，需求式（1）的極值，即 ，令，則 。實際上變壓器的負載損耗與空載損耗相等時，其效率能夠達到最大值。隨著我國輸配電技術的快速發(fā)展，輸變電系統(tǒng)和設備的穩(wěn)定性不斷提高，加之無功補償技術的不斷進步，配電網(wǎng)的功率因數(shù)一般不會低于0.9，所以本文取功率因數(shù)為0.9。根據(jù)非晶合金變壓器各額定容量下的空載損耗值和負載損耗值，通過計算可以得出理論上SH15型非晶合金變壓器的最高效率，見表3。

由表3可知，SH15型非晶合金變壓器效率的平均值約為99.31%，且當負載率保持在20.81%～22.89%范圍內時，SH15型非晶合金變壓器易達到較高效率運行。通過相同的計算方法，可以計算出S11型和S13型硅鋼配電變壓器的最佳負載率和最高效率，表4列出了SH15型非晶合金變壓器與S11型、S13型硅鋼變壓器的最佳負載率及最高效率的對比情況。

表3 SH15型非晶合金變壓器的最佳負載率及最高效率

由表4可知，SH15型非晶合金變壓器的效率平均值比S13型硅鋼變壓器的效率平均值約高0.31%，比S11型硅鋼變壓器的效率平均值約高0.41%。S13型硅鋼變壓器適于用負載率29.42%～35.63%，S11型硅鋼變壓器適用于負載率34.82%～39.84%。由于變壓器采用Dyn11和Yyn0聯(lián)結組時，其額定負載損耗值不同，通過對比計算發(fā)現(xiàn)，兩種額定負載損耗值所計算出的最佳負載率和最高效率相差無幾，因此，上述計算過程中選用的額定負載損耗值均為Dyn11聯(lián)結組時的數(shù)據(jù)。

表4 SH15型非晶合金變壓器與S11型、S13型硅鋼變壓器的最佳負載率及最高效率的對比情況

綜上，SH15型非晶合金變壓器的效率高于S11和S13硅鋼變壓器，且在負載率相對較低的配電區(qū)域中使用非晶合金變壓器最能夠發(fā)揮其高效率特性。

2.3 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的運行節(jié)能性對比分析

由于電力系統(tǒng)的終端用電設備多是電感性負載，這些設備在運行時不僅需要消耗一部分有功功率，還需要消耗一定的無功功率，這會導致電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，造成電網(wǎng)電壓波動，進而增大電網(wǎng)損耗。非晶合金變壓器在配電網(wǎng)應用中，常常配套采用無功補償裝置，以保證較高的功率因數(shù)，這使得非晶合金變壓器所消耗的無功功率而引起的無功損耗并不大，所以可以近似用有功功率損耗分析其運行節(jié)能性。即

式中，△P為非晶合金變壓器的有功功率損耗，kW；P0為非晶合金變壓器的空載損耗，kW；Kt為非晶合金變壓器的負載波動損耗系數(shù)，取1.05；β為非晶合金變壓器的平均負載率，%；Pk為非晶合金變壓器額定電流下的負載損耗，kW。

由表2可知，SH15型非晶合金變壓器的空載損耗明顯低于S11型和S13型硅鋼變壓器，而三種變壓器的負載損耗值又相同，所以上述公式能夠直觀反映出非晶合金變壓器的有功功率損耗明顯低于S11型和S13型硅鋼配電變壓器。

非晶合金變壓器的年綜合損耗計算公式為

式中，P為非晶合金變壓器的年綜合損耗，kW·h；△P為非晶合金變壓器的有功功率損耗，kW；△Q為非晶合金變壓器的無功功率損耗，kW。

帶入公式，可得

式中，8760為非晶合金變壓器的年運行時間，h；P0為非晶合金變壓器的空載損耗，kW；Kt為非晶合金變壓器的負載波動損耗系數(shù)，取1.05；β為非晶合金變壓器的平均負載率，%；Pk為非晶合金變壓器額定電流下的負載損耗，kW；k為無功經(jīng)濟當量，kW/kvar，這里取0.1；Q0為非晶合金變壓器的空載無功損耗，kvar；Qk為非晶合金變壓器額定電流下的負載無功損耗，kvar。

由圖1可以看出，SH15型非晶合金變壓器的年綜合損耗隨負載率增大而增加，且容量越大，年綜合損耗隨負載率增大而增加的幅度越明顯。通過相同的計算方法可以計算出各容量等級下S11型和S13型硅鋼配電變壓器的年綜合損耗，SH15型非晶合金變壓器比S11型、S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗降低幅度見圖2。

由圖2可以看出，SH15型非晶合金變壓器比S11型、S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗低，且容量越大，降低幅度越明顯。不僅如此，通過計算可以發(fā)現(xiàn)，無論負載率是否變化，相同容量下SH15型非晶合金變壓器相比S11型和S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗降低幅度相同。

圖1 SH15型非晶合金變壓器年綜合損耗隨負載率而變化的趨勢圖

圖2 SH15型非晶合金變壓器比S11型、S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗降低幅度

根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)，額定容量為500kVA的SH15型非晶合金變壓器比同容量S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗分別降低5168kW·h。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每度電約消耗0.318kg標準煤。根據(jù)國家相關部門統(tǒng)計，每發(fā)1度電會排放約0.997kg二氧化碳、0.03kg二氧化硫、0.0069kg氮氧化物。因此，一臺SH15型非晶合金變壓器比同容量的S13型硅鋼變壓器運行一年將節(jié)約1643kg煤，減少排放5152kg二氧化碳、155kg二氧化硫、36kg氮氧化物，所節(jié)約的電能相當于一個家庭4年的用電量。因此，非晶合金變壓器的節(jié)能和環(huán)保特性十分突出。

2.4 非晶合金變壓器與硅鋼變壓器的綜合性價比對比分析

在生產和生活中選用變壓器時常常將技術經(jīng)濟性作為一個重要衡量指標。電力行業(yè)通常依據(jù)DL/T985－2008《配電變壓器能效技術經(jīng)濟評價導則》中的總擁有費用法（TOC）來比較不同變壓器運行20年的總費用，以費用相對較低作為選用變壓器的依據(jù)[14-15]。由于TOC中空載損耗和負載損耗等效初始系數(shù)等一系列參數(shù)計算較為復雜，本文選用更為直觀的“投資回收期”來衡量兩種變壓器的性價比。

式中，Y為投資回收期，年；A為初始購置費用，元；C為年綜合損耗費用，元。

以額定容量都為500kVA的SH15型非晶合金變壓器和S13型硅鋼變壓器為例，SH15型非晶合金變壓器初始購置價格約為A1=55000元，S13型硅鋼變壓器初始購置價格約為A2=40000元，如果按照北京市居民生活用電階梯電價的中等用電家庭電費為0.5283元/kWh，當負載率為30%時，SH15型非晶合金變壓器的年綜合損耗費用C1=5508元，S13型硅鋼變壓器的年綜合損耗費用C2=8450元，將A1、A2、C1、C2的數(shù)值帶入式（5），得出投資回收期約為5年。一般情況下變壓器的經(jīng)濟運行壽命是20年，這意味著用戶如果用額定容量為500kVA的SH15型非晶合金變壓器替代S13型硅鋼變壓器，雖然初期投入成本稍高，但非晶合金變壓器僅運行5年所節(jié)約的電費即可抵消初期投入的價格差，而之后運行15年將節(jié)約一筆可觀的電費。因此，非晶合金變壓器擁有很高的性價比。

綜上，雖然非晶合金變壓器由于非晶合金帶材價格相對較高，初期投入成本常常高于常規(guī)硅鋼變壓器，但憑借其低損耗特性、高效率特性、運行節(jié)能性和高性價比特性，運用科學的技術經(jīng)濟性分析和運行效率分析，不難得出其全生命周期內的運行成本相比于常規(guī)硅鋼變壓器具有一定優(yōu)勢。

3 結束語

非晶合金變壓器雖然屬于高效節(jié)能產品，但仍存在抗短路能力弱、噪聲大、制造工藝難度大等諸多問題。傳統(tǒng)硅鋼變壓器技術相對成熟，應用也更加廣泛，尤其在特高壓輸電工程領域應用效果顯著。隨著非晶合金變壓器制造工藝的不斷創(chuàng)新，以及傳統(tǒng)硅鋼變壓器的結構和工藝再創(chuàng)新，非晶合金變壓器和傳統(tǒng)硅鋼變壓器都有著極為廣闊的發(fā)展空間。在不同的應用領域選用合適的產品，揚長避短，充分發(fā)揮產品的技術性能優(yōu)勢，實現(xiàn)《配電變壓器能效提升計劃（2015－2017）》年節(jié)電94億kWh的目標指日可待。

[1] J．M．D．Coey,D．H．Ryan．Recent trend in magnetic materials[C]．IEEE Transactions onMagnetics,1984,20(5):1278-1283．

[2] M．Dems,K．Komeza,S．Wiak．The highly efficient three-phase small induction motors with stator cores made from amorphous iron[C]．The International Journal for Computation andMathematics in Electrical and Electronic Engineering,2004,23(3):625-632．

[3] ZhuonanWang,EnomotoY,Ito Met al．Development of a permanent magnet motor utilizing amorphous wound cores[C]．IEEE Transactions on Magnetics,2010,2(46):570-573．

[4] Jordan,H．E．,Woods,E．J．Fractional horse power motor constructed with amorphous iron[J]．Proceedings of Motor-Con,1984,(4):37-42．

[5] Wang Z,EnomotoY,Ito M et al． Development of an axial gap motor with amorphous metal cores[C]．IEEE Transactions on Industry Applications,2011,47(3):1293-1299．

[6] Mischler,W．R．,Rosenberg,G．M．,Freschmann,P．C．Test results on a low loss amorphous ironinduction motor[C]．IEEETransactions on Power Apparatusand Systems,1981,100(6):2907-2911．

[7] Stec,T．Electric Motors from amorphous magnetic materials．Proceedings of International Symposium on Nonlinear Electromagnetic Systems,1995,(9):17-20．

[8] F．E．Luborsky,J．J．Becker．Strain Induced Ani-sotropy in Amorphous Alloys and the Effect of Toroid Diameters on Magnetic Properties[C]．IEEE Transactions on Magnetics[C]．1979．15(6):1939-1945．

[9] F．E．Luborsky,P．G． Frischmann,andL．A．Johnson． Amorphous Materials -A New Class of Soft Magnetic Alloys[J]．Journal of Magnetism and Magnetic Materials,1979,19(1):130-137．

[10] 張國祥．新型鐵基非晶合金的研究[J]．金屬功能材料,2003,10(2):13-18．

[11] 盛萬興,王金麗．非晶合金鐵芯配電變壓器應用技術[M]．北京:中國電力出版社,2009．

[12] 尹克寧．變壓器設計原理[M]．北京:中國電力出版社,2010．

[13] 李丹娜,孫成普．電力變壓器應用技術[M]．北京:中國電力出版社,2009．

[14] 胡雄文．非晶合金鐵心變壓器[J]．變壓器,1999(4):28-32．

[15] 茅建華．非晶合金變壓器節(jié)能經(jīng)濟效益分析[J]．上海電力學院學報,

2005(6):177-180．