非晶合金鐵心配電變壓器的分析

陳玉國
（山東達馳電氣股份有限公司，山東省 成武市 274200）

摘要： 分析非晶合金配電變壓器的鐵心結構、空載損耗、噪聲、抗短路能力、技術經濟性等問題。文章認為，非晶合金配電變壓器節能效果顯著，經濟性好、應推廣應用。文章還建議采用外國的一些優惠政策，以鼓勵發展，推廣我國的非晶合金配電變壓器；應盡快采取措施，著力解決一些地方存在的招投標不規范和地方保護的問題，杜絕劣質產品混入電網。

關鍵詞： 配用電系統；變壓器；非晶合金鐵心變壓器；空載損耗；噪聲；抗短路能力 　　

0　 引言

　　我國自1998年開始進行大規模城鄉電網建設與改造以來，采取推行S9型節能配電變壓器、停止生產S7型和淘汰電網中“64”和“73”系列高耗能變壓器等措施，對降低電網線損起到了積極作用。據統計，全國線損率從1996年的8.52％下降到2004年的7.59％。但與先進國家相比仍高出1.5～2個百分點，相當于每年多損耗150億～200億kWh電量。可見降耗任務很重，潛力也相當大。國家發展和改革委員會與科技部于2005年共同組織起草了《中國節能技術政策大綱》（征求意見稿），明確指出：“推廣生產和應用S11型及非晶合金鐵心型低損耗變壓器、低能耗導線、金具等節能型配電設備及附件。2010年前，淘汰電網在役的S7型及‘73’、‘64’型高耗能變壓器設備”。非晶合金配電變壓器作為節能效果十分明顯的配電技術和設備，近年正逐漸地被制造廠和廣大用戶所接受。

1 　非晶合金鐵心

　　（1） 非晶合金鐵心片厚度極薄，僅0.025mm，不到常用硅鋼片的1/10；疊片系數較低，只有0.86；帶材有142、170、213mm 3種寬度。

　　（2） 非晶合金的飽和磁通密度較低，單相變壓器一般取1.3～1.4T，三相變壓器一般取1.25～1.35T，因此，產品設計受到材料的限制。

　　（3） 非晶合金的硬度較大，是取向硅鋼片的5倍，因此，加工剪切很困難，對設備、刀具要求較高。一般是對邊緣剪切處進行加溫從而獲得良好的剪切面，心柱由同一寬度的非晶合金帶卷制而成，故鐵心截面呈長方形，相應的高、低壓繞組均為矩形。

　　（4） 非晶合金在成材過程中急速冷卻和卷繞鐵心時會產生應力，為了獲得良好的損耗特性，非晶合金鐵心成型后必須在一定的磁場條件下進行退火處理。其退火工藝比較復雜，要求較高。

　　（5） 非晶合金鐵心材料退火之后的脆性（易產生碎屑）也是設計制造時需關注的問題，需要采取一定的工藝措施。

　　（6） 非晶合金鐵心材料對機械應力非常敏感，無論是張引力還是彎曲應力都會影響其磁性能，所以，鐵心的損耗會隨著壓力的增大而增加。這需要在器身結構設計方案中予以充分考慮。

　　（7） 單相非晶合金鐵心變壓器的鐵心結構一般為“框”形，如圖1所示；三相變壓器的結構則由4個“框”合并成類似的三相五柱式結構，如圖2所示；容量較大時，則采用8個鐵心框疊放在一起的結構。

圖1 單相非晶合金鐵心結構示意圖

圖2 三相非晶合金鐵心結構示意圖

2　 非晶合金鐵心變壓器運行后的空載損耗

　　非晶合金片磁滯損耗和渦流損耗都明顯低于取向硅鋼片，因此非晶合金鐵心配電變壓器的空載損耗只有S11型配電變壓器空載損耗的40％，甚至更少［1］。但也有人認為，運行后的非晶合金鐵心變壓器的空載損耗會呈增加趨勢。

　　此問題早在開發非晶合金變壓器期間已經有所考慮。1982年，第一臺非晶合金鐵心變壓器在美國掛網運行；1983年，美國電力研究院（EPRI）、GE公司及紐約州電力公司曾考慮到了這一問題，并于1985年，將已制成的1
000臺25、15kVA柱上變壓器送到90個EPRI成員單位進行為期2年的現場試驗。現場試驗的測試數據表明，運行2年后其空載電流和空載損耗與交付試驗時的極為接近［1］。

　　日本東京電力公司、Takao電氣公司和日立電氣公司對非晶合金變壓器的長期可靠性做了深入細致地研究。他們從1991年起對不同容量的200臺非晶變壓器進行了加速老化、現場運行、短路、沖擊等試驗，還進行了負荷和振動對變壓器空載特性的影響測試。研究結果表明，在30年壽命期內，其空載特性是穩定的，運行是可靠的［2］。

　　我國對此問題亦有研究。1995年，作為非晶合金配電變壓器試運行單位的甘肅省天水市北道區電力局，根據冶金部、電力部關于攻關試驗項目試驗測試的規定要求，對10臺掛網運行2個月的非晶合金變壓器進行了測試，測試結果與運行前的測試值是相一致的［3］。

　　鐵心材料被制作成形鐵心后已經過了約400℃高溫的退火處理，這對于正常運行溫度、短路熱穩定溫度都已是足夠高的了，所以不必擔心材質會在30年壽命期內因溫度而發生變化。因此，非晶合金變壓器不存在空載損耗在運行中會有所增加的可能。

3 　非晶合金變壓器噪聲

　　研究表明，鐵心片的磁滯伸縮現象是產生變壓器噪聲的主要原因，這與鐵心的尺寸和磁通密度有關系。在同一磁通密度下的磁滯伸縮程度，非晶合金的這一指標比傳統晶粒取向冷軋硅鋼片高約10%。但是，冷軋硅鋼片的飽和磁通密度較高，約為2.03T，而非晶合金的飽和磁通密度較低，約為1.5T。因為非晶合金鐵心變壓器的額定工作磁通密度（1.25～1.35T）要比冷軋硅鋼片鐵心變壓器的額定工作磁通密度（1.63～1.73T）低得多，因而二者的實際磁滯伸縮是接近的。

　　但是，非晶合金鐵心變壓器與同規格傳統鐵心變壓器相比，其鐵心質量大40%左右，有效截面積大50％以上，這在一定程度上會使變壓器噪聲增大。

　　另外，鐵心自身結構和制造工藝對噪聲也有一定的影響。非晶合金鐵心表面涂覆有環氧樹脂，如果樹脂涂覆不好或由于樹脂質量差或調配比例不當而引起樹脂脫落，或者接縫疊裝不整齊等都會增加變壓器噪聲。因此在產品設計中有必要對鐵心和器身采取接縫涂漆、加消音墊等減振措施。