摘要： 分析非晶合金配電變壓器的鐵心結(jié)構、空載損耗、噪聲、抗短路能力、技術經(jīng)濟性等問題。文章認為，非晶合金配電變壓器節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟性好、應推廣應用。文章還建議采用外國的一些優(yōu)惠政策，以鼓勵發(fā)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(guī)范和地方保護的問題，杜絕劣質(zhì)產(chǎn)品混入電網(wǎng)。 關鍵詞： 配用電系統(tǒng)；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(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設與改造以來，采取推行S9型節(jié)能配電變壓器、停止生產(chǎn)S7型和淘汰電網(wǎng)中“64”和“73”系列高耗能變壓器等措施，對降低電網(wǎng)線損起到了積極作用。據(jù)統(tǒng)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(fā)展和改革委員會與科技部于2005年共同組織起草了《中國節(jié)能技術政策大綱》（征求意見稿），明確指出：“推廣生產(chǎn)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(jié)能型配電設備及附件。2010年前，淘汰電網(wǎng)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(jié)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(shù)較低，只有0.86；帶材有142、170、213mm 3種寬度。 來源:http://tede.cn 　　（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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jié)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(jié)構一般為“框”形，如圖1所示；三相變壓器的結(jié)構則由4個“框”合并成類似的三相五柱式結(jié)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(jié)構。 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(fā)非晶合金變壓器期間已經(jīng)有所考慮。1982年，第一臺非晶合金鐵心變壓器在美國掛網(wǎng)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1000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(xiàn)場試驗。現(xiàn)場試驗的測試數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jié)果表明，在30年壽命期內(nèi)，其空載特性是穩(wěn)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(qū)電力局，根據(jù)冶金部、電力部關于攻關試驗項目試驗測試的規(guī)定要求，對10臺掛網(wǎng)運行2個月的非晶合金變壓器進行了測試，測試結(jié)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(jīng)過了約400℃高溫的退火處理，這對于正常運行溫度、短路熱穩(wěn)定溫度都已是足夠高的了，所以不必擔心材質(zhì)會在30年壽命期內(nèi)因溫度而發(fā)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(xiàn)象是產(chǎn)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(tǒng)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(guī)格傳統(tǒng)鐵心變壓器相比，其鐵心質(zhì)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(jié)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(huán)氧樹脂，如果樹脂涂覆不好或由于樹脂質(zhì)量差或調(diào)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(chǎn)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。 　　所以，非晶合金鐵心變壓器的聲級很難控制。在行業(yè)標準JB/T 10088—2004《6～500kV級電力變壓器聲級》中也指出：“本標準規(guī)定的聲級限值不適用于非晶合金鐵心變壓器，非晶合金鐵心變壓器的聲級限值由制造單位與用戶協(xié)商確定。”然而其噪聲并不是不可以控制的，在現(xiàn)有技術條件下，若在非晶合金變壓器設計、工藝、制造、使用過程中多加注意，精心控制，則非晶合金鐵心變壓器也可達到傳統(tǒng)鐵心變壓器的聲級水平。但對于噪聲要求較嚴格的場所，建議慎重考慮。 4　 聯(lián)結(jié)組 　　由于三相非晶合金配電變壓器采用三相四框五柱式鐵心結(jié)構，每個相繞組套在磁路獨立、相鄰的兩框上。每個框內(nèi)的磁通除基波磁通外，還有3次諧波磁通，3次諧波磁通占基波正弦波磁通的百分數(shù)則與運行時額定磁通密度選用值有關。1個繞組的2個鐵心框內(nèi)的3次諧波磁通在相位上正好相反，數(shù)值上相等，因此每1組繞組內(nèi)的3次諧波的磁通相量和為零。 　　當變壓器高壓繞組采用D聯(lián)結(jié)時，3次諧波電流在高壓繞組三角形內(nèi)構成回路，在感應出的二次側(cè)電壓波形上就不會有3次諧波電壓分量。當然，每個框內(nèi)的空載損耗還是會受到各自框內(nèi)2次諧波磁通的影響，因而其聯(lián)結(jié)組一般采用Dyn聯(lián)結(jié)。用戶在選用產(chǎn)品時應注意這一點。 來源:輸配電設備網(wǎng) 5 　抗短路能力 　　上文已介紹非晶合金鐵心的損耗會隨著壓力的增大而迅速上升。一旦變壓器發(fā)生短路，所產(chǎn)生的沖擊性電動力如果直接作用于非晶合金鐵心，鐵心是無法承受的。因此，在器身結(jié)構上，不能采用將鐵心作為主承重結(jié)構件的傳統(tǒng)設計方案，低壓繞組應自保持，一般將低壓繞組繞在硬筒上，將高壓繞組直接套繞在低壓繞組上，裝配時將繞組支撐在單獨的繞組支撐系統(tǒng)上并壓緊固定，這樣可使鐵心不受壓力，減少了變壓器短路時徑向的內(nèi)縮或外擴，從而有效地確保了變壓器的抗短路能力。這種結(jié)構已通過實際短路承受能力試驗證明。 6 產(chǎn)品的技術經(jīng)濟性 　　非晶合金變壓器的節(jié)能效果已經(jīng)得到廣泛的認可，其技術經(jīng)濟性方面的論證已見諸報道。在目前市場狀況下，通過對SH15型三相油浸式非晶合金鐵心配電變壓器與S11型三相油浸式配電變壓器經(jīng)濟性的分析比較，就投資回收期而言，非晶合金鐵心配電變壓器在4年多時間里節(jié)約的電費就可以補回投資差額，之后用戶便可長期受益［1］。 7　 應用與發(fā)展 　　推廣應用非晶合金鐵心變壓器不僅有良好的節(jié)能效益，而且還有環(huán)保效益。節(jié)能相當于減少發(fā)電量或少建火力發(fā)電廠，從而減少了發(fā)電廠排放的CO2、SO2和氮氧化物等。 　　非晶合金鐵心配電變壓器在國外早已使用并取得了成功經(jīng)驗。美國有100多萬臺非晶合金鐵心配電變壓器掛網(wǎng)運行；日本已有35萬臺在運行，目前世界上最大的5 000kVA的非晶合金變壓器也在運行；歐盟國家也有應用；亞洲的印度、孟加拉國、韓國、泰國等國家都有非晶合金變壓器制造廠。我國從20世紀90年代初開始生產(chǎn)和應用非晶合金變壓器，但發(fā)展較為緩慢，推廣的效果不很理想。 　　三相油浸式非晶合金鐵心配電變壓器與S11型三相油浸式配電變壓器相比，其有效材料消耗較大，制造耗費工時較多，因而成本較高。按目前材料價格計，前者的價格約為后者的1.3倍。這一價格與前些年相比，供需雙方還是可以接受的，這就有利于大范圍推廣應用。另外，采購變壓器不能只看價格，應對總費用（TOC）進行評估，看其在壽命期內(nèi)的總成本是否最低。這也是國際上通用的方法。2005年6月，國家電網(wǎng)公司農(nóng)電工作部在組織討論非晶合金變壓器標準時，已將此方法作為該標準的附錄。 　　目前，除油浸式非晶合金鐵心配電變壓器外，根據(jù)市場和用戶需要，又推出了多種非晶合金鐵心變壓器類產(chǎn)品：非晶合金鐵心干式變壓器、非晶合金鐵心地下式變壓器、高燃點油非晶合金鐵心變壓器、非晶合金鐵心組合式變壓器（即美式箱變）、預裝式非晶合金變電站（即歐式箱變）等等，其應用范圍越來越廣。 8 　結(jié)論 　　（1） 非晶合金鐵心配電變壓器節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟性能良好，較S9、S11型變壓器多投資的部分均可以在政策規(guī)定的年限內(nèi)收回。如一次性投資到位，可避免短期內(nèi)的重復投資。推廣應用非晶合金配電變壓器符合節(jié)約能源的國家政策導向，產(chǎn)品制造技術已基本成熟，產(chǎn)品可靠性有保障，完全可以滿足用戶需要，可以大范圍推廣應用。 　　（2） 根據(jù)當前情況，國家除進行規(guī)劃引導外，宜盡快完善節(jié)能產(chǎn)品標準，規(guī)范管理辦法，出臺鼓勵使用非晶合金變壓器的具體優(yōu)惠政策。如：借鑒外國政府對節(jié)能項目采取的鼓勵科研、生產(chǎn)補貼、減免稅或退稅、購買節(jié)能產(chǎn)品有投資補貼、低息貸款等優(yōu)惠政策，加大節(jié)能產(chǎn)業(yè)的財政、信貸扶持力度。 　　（3） 由于非晶合金鐵心加工制造過程較為特殊，也比較復雜，宜采用專業(yè)集中的規(guī)模生產(chǎn)模式，以利于質(zhì)量的控制與保障。變壓器制造廠可以根據(jù)自己的要求定購，只利用成型鐵心制造非晶合金變壓器。 　　（4） 用戶要正確看待非晶合金配電變壓器的空載損耗、噪聲、聯(lián)結(jié)組、制造技術等方面的問題。在選用產(chǎn)品時，要綜合考慮制造廠的制造水平、質(zhì)量保障實力和售后服務等因素，切不可單以價格為選擇產(chǎn)品的依據(jù)。 　　（5） 目前，國內(nèi)制造非晶合金變壓器廠家在生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)條件、工藝水平等方面存在較大差別。由于某些地方存在招投標市場不規(guī)范和地方保護等問題，可能造成一些規(guī)模小、質(zhì)量差的企業(yè)的產(chǎn)品進入市場。因此建議盡快采取措施，改變這種局面，防止在推廣過程中，劣質(zhì)產(chǎn)品混入電網(wǎng)。 9 　參考文獻 ［1］ 鄭國培，劉忠，陳星，等SH15非晶合金鐵心配電變壓器的技術經(jīng)濟分析變壓器， 2005，（6） ［2］ 陳玉國，馬效坤，張永勝，等非晶合金鐵心變壓器的研究與發(fā)展概述 農(nóng)村電氣化， 2001，（2） ［3］ 朱永暉非晶合金變壓器掛網(wǎng)運行試驗節(jié)點效果的分析農(nóng)村電氣化，1999，（5）