推广非晶铁芯配电变压器是节能的重大举措

　　变压器是根据电磁原理而制造的一种输变电设备，导磁磁路系统是变压器的一个主要部分。导磁材料的性能直接影响变压器的技术经济指标。

　　自1885年匈牙利的冈茨工厂首先研制成**台具有闭合磁路的单相变压器以来，铁芯是一般碳素钢丝或碳素钢作为当时的导磁材料，铁芯是卷铁芯结构。1903年出现热轧硅钢片，铁芯结构改为叠片式，空载损耗降低50%以上。1935年美国阿尔姆柯公司向市场供应冷轧硅钢片。1964年日本发明高导磁晶粒取向冷轧硅钢片。1964年日本的新日铁公司开始市场供应这种硅钢片。这样，变压器的空载损耗又一次大幅度下降，0.23mm厚经激光照射或等离子处理的高导磁晶粒取向冷轧硅钢片于50Hz及1.7T下的单位损耗已降到每公斤0.9瓦。

　　1960年美国加利福尼亚大学首先从金和硅合金中发现另一种导磁的非晶合金，1974年美国联信公司研制出铁基非晶合金，1974年美国GE公司发现它有较低单位损耗(1.5T60Hz下的单位损耗为0.44W/kg)。

　　从此，变压器行业开始注意非晶合金作为配电变压器导磁铁芯的材料。1978年美国研制出10KVA非晶铁芯变压器，对外公开是1980年研制成的15kVA非晶铁芯变压器。此后，国外很多变压器制造厂开始研制这种变压器，我国也已研制成功非晶铁芯变压器，有的厂已能批量生产。目前，非晶铁芯三相配电变压器的*大容量已达2500kVA。非晶铁芯变压器的投网运行，已获得可观的节能效果。10kV级配电变压器年需量约5000万KVA，若全部采用非晶合金变压器，一年可节电100亿kWh以上。同时，还可带来良好的环保效益，少向大气排放CO2、SO2，减少核废料。

　　所以，推广发展非晶铁芯配电变压器不但有良好的节能效益(同容量配电变压器的空载损耗可下降70%～80%)，而且还有环保效益。建议国家电力公司应大量采用非晶铁芯配电变压器及非晶铁芯组合式变压器。

　　关键词 非晶铁芯 配电变压器 组合式变压器

　　一、非晶铁芯变压器的特点

　　非晶合金是一种厚度极薄，仅0.03mm厚的一种导磁材料，故设计成卷铁芯结构是*佳的结构方案。一般，单相变压器的卷铁芯结构是一个框，三相变压器的卷铁芯结构是由四个框合并成类似三相五柱式结构。因为非晶合金带难以剪切，一般是以边缘剪切处加温而获得良好的剪切面，故卷铁芯截面都呈长方形，长宽比的选择应使导线平均匝长与非晶合金重量为*优参数。

　　由于非晶合金的压力敏感性，成形后铁芯应在磁场下进行消除压力的退火处理，为了便于绕组在绕制好的情况下顺利套在铁芯柱上(四框式卷铁芯的每个相绕组要在相邻的两个框上)，在卷铁芯的每个框的铁轭部分有交错布置的接缝。以上是一系列的加工过程，为获得*好的性能，非晶合金具有交错接缝的卷铁芯都以标准尺寸并经磁场下退火后由专业厂供货的。

　　三相配电变压器容量较大时，因非晶带的宽度限于220mm左右，故可选用几个卷铁芯叠在一起的结构，所以，用这种叠放式结构，可使非晶铁芯三相配电变压器单台容量扩大到2500kVA。从电气性能上，由于采用三相四框五柱式结构，每个相绕组套在磁路独立的两框上，每个框内的磁通除基波磁通外，还有三次谐波磁通存在，三次谐波磁通占基波正弦波磁通的百分数则与运行时额定磁通密度选用值有关。一个绕组内两个卷铁芯框内三次谐波磁通正好在相位上相反，数值上相等。因此，整个每一组绕组内的三次谐波磁通相量和为零。只要变压器三相绕组接法，如D接，有三次谐波电流的回路，在感应出的二次侧电压波形上就不会有三次谐波电压分量。当然，每个框内的空载损耗还是会受到各自框内三次谐波磁通的影响。

　　根据上面分析，三相配电变压器采用非晶铁芯获得节能与环保效益的结构方案将是：四框铁芯组成三相五柱结构，非晶铁芯是经退火且有交错铁轭接缝的结构，铁芯与绕组都是呈长方形截面，绕组可采用先绕制成形的结构，是较好的配合。

　　二、非晶铁芯的设计参数

　　非晶合金的饱和磁密较低，固此额定磁通密度不宜选得更高，一般选取1.3～1.4T的磁通密度可获得较好的空载损耗值。

　　由于非晶合金的单片厚度仅为0.03mm，故叠片系数仅80%左右，因此，非晶铁芯的毛截面要较硅钢片铁芯为大。虽非晶合金的比重比硅钢片小，*后的铁芯重量仍较重。

　　鉴于非晶合金的价格较贵，有必要选用更合适的绕组排列，使整台变压器价格有所下降。

　　传统的配电变压器都采用单同心结构，即低压绕组：高压绕组是内外布置。为了减少非晶合金用量，可采用双同心结构，即低压绕分裂为两部分，高压绕组布置在两个低压绕组之间。将双同心绕组结构与三相四框五柱式非晶合金卷铁芯相配合可使非晶合金用量下降，从而使整台变压器价格趋于下降，更有效地能进一步推广非晶合金在配电变压器的应用。

　　为使用户获得免维护或少维护的好处，非晶铁芯配电变压器还可设计成全密封式结构，使油浸式配电变压器内油与外界空气不接触，可防止油的氧化。

　　由于非晶合金的压力敏感性，非晶铁芯在受压后空载损耗会增大，将绕组支撑在单独的绕组支撑系统上，经非晶合金铁芯配电变压器的实际突发短路试验证明，这个结构配合措施是正确的，而且是必须的。

　　如果在组合式变压器内(国内简称箱变)的铁芯也由非晶合金按上述结构方案制成，更容易解决非晶合金成本高的难题，也就是说，组合式非晶合金铁芯变压器更具有发展前途。

　　三、人们对非晶合金铁芯担心的一些问题是不成立的

　　在非晶合金铁芯发展过程中，人们对非晶合金曾担心过一些问题：

　　1、非晶铁芯变压器出厂后经一般运行时间，非晶会不会晶化，空载损耗会不会经运行而呈增加趋势。

　　应该说，这种担心是没有必要的，因为非晶合金的居里温度约为415℃，晶化温度为550℃。这些温度对于非晶合金带加工、铁芯成形后退火，正常运行温度，短路热稳定温度都已是足够高的值，所以对晶化的担心在实际上是不存在的。

　　2、非晶铁芯的磁致伸缩要较传统晶粒取向冷轧硅钢片要大，因此噪声水平不易保持。这也是一种误解。

　　在同一磁通密度下的磁致伸缩，非晶合金的这一值是比传统晶粒取向冷轧硅钢片要大。但是，冷轧硅钢片的饱和磁通密度较高，约为2.03T左右，而非晶合金的饱和磁通密度较低约为1.5T左右。因为非晶铁芯变压器的额定工作磁通密度要比冷轧硅钢片铁芯变压器的额定工作磁通密度要低得多。实际的磁致伸缩是接近的。从同规格变压器不同导磁材质的实际声级水平来看，非晶合金铁芯变压器具有相同的声级水平，也就是说，就声级水平而言，非晶铁芯变压器与冷轧硅钢片铁芯变压器具有相同的水平。

　　四、结 论

　　综上所述，三相2500kVA及以下三相配电变压器采用非晶合金作为铁芯的导磁材料，不单有节能效益，而且有环保效益。非晶合金又是在退火后按标准尺寸供货，变压器制造厂不多增加铁芯加工生产线，所以，在推广上不应有难题。在合理的设计的参数与合理的绕组与铁芯配合结构下，会获得合理的非晶合金变压器价格，对国家而言，这是节能的重大措施。根据国内外经验，非晶铁芯不但可用于配电变压器，还可推广到组合式变压器(即箱变)不但可用于油浸式配电变压器，还可用于树脂浇注式干式变压器，不但可用于工频变压器，还可用于中频变压器。如将非晶合金推广延到超微晶合金，使饱和磁密度降到1.25T左右，使起始导磁率提高。这将是测量级电流互感器的*理想导磁材料，比坡莫合金的价格要便宜得多，性能比坡莫合金还要好些。

　　所以，非晶导磁材料应列重大举措而被广泛应用于变压器制造行业。国家电力公司也应推广非晶铁芯配电变压器在城乡电网系统发展与改造中大量应用，以获得节能与环保的双效益。
来源：安徽机械网