[align=left] 由于低損耗是電力傳輸設備的重要性能指標之一，因此非晶合金鐵心變壓器以其顯著的低鐵損（空載損耗）性能倍受生產制造和電力用戶的關注。近年來通過不斷的改進非晶合金的品質性能，提高非晶合金鐵心的生產規模，從而大大地降低了非晶合金鐵心的價格，而且供貨商可以根據要求提供不同規格的卷制心，使非晶合金鐵心在配電變壓器的制造和使用上都得到較大的推動。那么什么是非晶合金鐵心呢?它的物理性能如何?低損耗的性能究竟如何呢? 這些都值得我們電力設備的運行管理部門和試驗技術人員予以關注。 [b]1　什么是“非晶態合金” [/b]　　“非晶態合金”最早是由美國加利弗尼亞工科大學的P.Duwez等人于1960年發現，當時將其用于磁傳感器，如：超級市場、圖書館等。其后由美國GE公司（通用電氣公司）的Luborsky進一步發現其低鐵損性能（0.44 W/kg），從而引起人們的關注，開始研究將其用于變壓器的鐵心制造。 　　用于變壓器鐵心制造的“非晶態合金”主要是以鐵（Fe）、鈷（Co）、硅（Si）、硼（B）、碳（C）等 元素依一定的配比合成，在高溫熔化的條件下，經過高速旋輪使之成為合金箔。由于高速旋輪的作用和冷卻時的溫度驟降，使得這種工藝生產的合金箔的原子結構類似于玻璃那樣的無規無序的排列，而沒有通常金屬合金所表征的晶體結構。故稱其為“非晶態合金”，亦有根據其原子結構特征稱之為“金屬化玻璃（metglas）”。 　　由于“非晶態合金”沒有明顯的晶格界面，無規的非晶態結構在磁場的作用下矯頑力很低，因而“磁滯損耗”明顯減小。加上“非晶態合金”材料本身為箔帶，厚度一般為0.003 mm，僅為普通硅鋼片材料的十分之一，而且其電阻率較高，因此它是一種低損耗的軟磁材料。 　　我國對于“非晶態合金”的研究工作大約開始于1977年，通過近20年的努力，現在國內的冶金工業部北京鋼鐵研究總院和上海鋼鐵研究所都具有一定的“非晶態合金”箔帶的生產能力，最大寬度約150～200 mm。國外亦 有廠商（ALLIEDSIGNAL）在國內投資生產加工基地，并可以根據設計要求提供繞制成型的開口或封閉式鐵心。近10年來，國內的不少廠家采用“非晶態合金”鐵心研制了10 kV級30～250 kVA油浸或環氧樹脂絕緣的配電變壓器及1 600 kVA的中頻變壓器，這些研制的產品目前大都已掛網運行。更有跡象表明：一些采用“非晶態合金”鐵心的高壓互感器也在研制或生產之中。采用“非晶態合金”鐵心的電力設備目前大多沒有完備的技術標準，它給我們的主要印象為“低能耗”，但是在使用中它的綜合技術性能指標究竟如何?作為現場的工程技術人員，我們對采用“非晶態合金”鐵心的電力設備與采用普通硅鋼片鐵心的電力設備的技術性能的差異應有所把握。 [b]2　“非晶態合金”材料的電磁和物理性能 [/b]　　為了充分了解“非晶態合金”材料的電磁和物理性能與硅鋼片的差異，表1列出了兩類材料的性能比較。 　　在同等磁通密度下，非晶態合金鐵心的損耗僅為硅鋼片鐵心的四分之一，勵磁功率約為硅鋼片鐵心的一半；電阻率為硅鋼片鐵心的3倍。另外，由于非晶態合金箔帶的生產工藝過程比硅鋼片的生產工藝過程減少了鑄錠、初軋（開坯）、熱軋、冷軋及其中間工序，使加工程序大為簡化，據核算其整個工藝過程的能源消耗僅為硅鋼片鐵心生產過程的20%～ 25%。由此可見的經濟效益和社會效益是極為可觀的。 　　然而，非晶態合金材料也有諸多的不足之處。如：作為鐵心材料其工作磁密（1.4 T）小于硅鋼片材料（1.76 T）；疊片填充因數較小，一般為0.75～0.8 0，約為硅鋼片材料的疊片填充因數（一般為0.95～0.97） 的84% ；材料厚度很薄，硬度高，脆性大，不便于加工；熱穩定性能欠佳，若有局部過熱，并超出 一定的范圍，材料的導磁性能就會產生嚴重的惡化；除此之外，非晶態合金鐵心必須在磁場 條件下采用惰性氣體保護進行退火。 [b]3　影響非晶態合金材料鐵心低損耗性能的工藝因素 [/b]　　非晶態合金鐵心的低損耗性能取決于生產工藝中的全過程，其中主要是內應力的消除是否完全。那么內應力是如何影響非晶態合金鐵心的低損耗性能的呢? 　　[b]3.1　卷鐵心彎曲半徑的影響 [/b]　　由于非晶態合金箔帶的厚度非常薄，約為硅鋼片材料的十分之一，正因為如此，非晶態合金材料十分便于制造卷鐵心變壓器。根據試制結果得到圖1，由圖可知，繞制的鐵心直徑越小，鐵心的損耗就越大。據資料報道：在365 ℃下采用一定磁場條件對非晶態合金進行退火處理，非晶態合金鐵心損耗性能可能恢復原來水平。 [/align] 　　 圖1　不同繞制彎曲半徑下的鐵心損耗 　[b]　3.2　接縫方式對鐵損的影響 [/b]　　在制造卷鐵心變壓器時，可以采用直接在鐵心上的線圈模架上繞制線圈；也可以采用“開口 卷鐵心”，然后插入成型線圈。由于鐵心套入線圈后便不能采用退火工藝，因此對制造較大 容量的變壓器而言，采用“開口卷鐵心”是較為實際的方式。 　　圖2表示了鐵心不同的搭接方式對鐵心損耗的影響程度。根據國外有關資料報道，當開口卷鐵心經過退火，或者鐵心尺寸較大時，套裝線圈的裝配操作對非晶合金鐵心的損耗的影響可以忽略不計。但是根據國內的生產工藝及管理現狀，對鐵心開口后的損耗水平的變化未見報道。 　　 圖2　不同的接縫方式對開口卷鐵心損耗的影響 　　3.3　退火工藝 　　由于制做非晶態合金鐵心的材料是在急劇冷卻的狀態下制成箔帶的，材料中仍然存在著細微的殘余應力，采用退火方式可以消除這些殘余應力，但是退火工藝要求采用氮氣保護氣氛，并以適當的溫度以及沿箔帶長度方向的足夠的磁場強度。2605 Sc的退火溫度推薦值為345 ℃；試驗對比表明：退火溫度低于345 ℃，鐵損將增加25%。而退火時的磁場強度推薦值為2～8 A/cm，當磁場強度低于0.5 A/cm時，對鐵損的降低效 果不夠明顯。 　　3.4　外部應力的影響 　　由上述涉及對鐵損的影響程度來看，對于加工成卷的非晶態合金鐵心，即使采用了各種消除內應力的措施后，產品的總裝配所造成的應力，也難免會使鐵心損耗上升。生產裝配中的綁扎支撐，轉運過程中及事故中的震動受力，都會使鐵心損耗發生變化。鐵心損耗的大小在變壓器運行的過程中是判斷設備運行狀況的技術指標。由于損耗改變的隨機性較大，對判斷設備狀態造成一定的困難。 4　非晶態合金鐵心變壓器和硅鋼片鐵心變壓器性能對比 　　根據我國現有工藝生產的非晶態合金鐵心變壓器，隨著變壓器的容量不同，其性能比也會發生一定的變化。表2是非晶態合金鐵心變壓器和硅鋼片鐵心的變壓器的性能對比。 　　由表2可見，小容量變壓器以非晶態合金鐵心變壓器性能為優，當容量增大 后，鐵心變壓器與硅鋼片鐵心的變壓器的性能持平，非晶態合金鐵心變壓器在鐵耗上節約的 幅度與其銅耗上超出硅鋼片鐵心的變壓器的部分相抵。雖然未能得到相關的質量數據，但因 非晶態合金鐵心的工作磁密低于硅鋼片鐵心的變壓器，可以肯定的是：大容量非晶態合金鐵 心變壓器的質量和體積都會超過同容量的硅鋼片鐵心的變壓器。 　　因此，在評估非晶態合金鐵心變壓器時，要全面核算其經濟效能比。在使用上還應更多地考慮設備運行的安全等級，全面地把握設備的安全狀況。 [b]5　建議 [/b]　　非晶態合金鐵心變壓器在鐵心損耗上明顯低于取向冷軋硅鋼片，在節能降耗上具有可觀的經濟效益。但是，非晶態合金鐵心的低損耗性能 受多種因素的影響，從現有的資料報道來看，對其沒有全面地進行同等工藝水平下的經濟效能評估，部分試驗運行的產品，運行一年后，空載損耗變化達25%，這些情況是否具有普遍性，需要繼續統計和觀察。 　　根據以往國內某些生產廠家的設計原則，最大磁通密度的選擇是按照設備標稱容量的80%～ 85%來選擇的，因此設備的滿負荷運行是工作在磁化曲線的非線性段。由于非晶合金鐵心在 高溫和過激磁的情況下，導磁性能會發生不可恢復的損壞，因此，對于那些導磁性能敏感的 電器設備，更應嚴格評價鐵心過激磁的可能性。 　　目前，非晶合金鐵心的價位較高（40元/kg），為取向硅鋼片的4倍，全面評估非晶合金鐵心變壓器（互感器）的經濟性能和安全效能是十分必要的。 [b]參考文獻 [/b]　　［1］　IEEE CH2133-7/85/0000-0205，Evaluation of Electrical Insulation Exposed to Amorphous Metal Transformer Core Annealing Temperature［S］