非晶合金變壓器節能分析

摘要：文章介紹了非晶態磁性材料以及非晶合金鐵芯變壓器SH12，對SH12､S9､S7的能耗做了計算與對比，并計算了800kVA的SH12較同容量的S7､S9多投資的回收年限｡
關鍵詞：2605S2 SH12 節能 多投資回收年限

　　電力變壓器自1881年發明至今已經有一百多年｡目前大多數情況下，電能的電壓等級自發電站到用戶至少要經過5級變壓器，方可輸送到低壓用電設備(380V/220V)｡雖然變壓器本身效率很高，但因其數量多､容量大，總損耗仍是很大的｡據估計，我國變壓器的總損耗占系統發電量的10%左右，如損耗每降低1%，每年可節約上百億度電，因此降低變壓器損耗是勢在必行的節能措施｡

1 鐵芯損耗的控制

　　變壓器損耗中的空載損耗，即鐵損，主要發生在變壓器鐵芯疊片內，主要是因交變的磁力線通過鐵芯產生磁滯及渦流而帶來的損耗｡
　　最早用于變壓器鐵芯的材料是易于磁化和退磁的軟熟鐵，變壓器鐵芯是由鐵線制成，而不是由整塊鐵構成，為了克服磁回路中由周期性磁化所產生的磁阻損失和鐵芯由于受交變磁通切割而產生的渦流｡用線束制作的鐵芯可有效減少渦流路徑的截面積｡
　　在1900年左右，經研究發現在鐵中加入少量的硅或鋁可大大降低磁路損耗，增大導磁率，且使電阻率增大，渦流損耗降低｡經多次改進，方用0.35mm厚的硅鋼片來代替鐵線制作變壓器鐵芯｡
　　近年來世界各國都在積極研究生產節能材料，變壓器的鐵芯材料已發展到現在最新的節能材料——非晶態磁性材料2605S2，非晶合金鐵芯變壓器便應運而生｡使用2605S2制作的變壓器，其鐵損僅為硅鋼變壓器的1/5，鐵損大幅度降低｡

2 METGLAS2605S2

　　非晶態合金早在太陽能電池領域已有了飛躍發展｡在80年代迅速應用于磁性材料領域，美國阿拉伊特公司長期從事非晶態材料的研究，以METGLAS為品名｡1979年已研制出具有實用價值的2605SC，其材料成份為Fe81B13.5Si3.5C2｡該公司在1981年又試制成功非晶態磁性2605S2，化學成份為：Fe78B13Si9，與最初的2605SC相比，降低了磁通密度，改善了熱穩定性，降低了鐵損。
　　非晶態合金是無晶料原子結構，一個個原子無規則的分布在材料的基體中，并能迅速冷卻而出現玻璃狀成份｡典型的非晶態合金含80%的鐵，而其它成份是硼和硅｡非晶態合金有很多生產方法，但最常見的是把熔化的金屬蒸汽噴在高速旋轉的銅繞線架上，熔化的金屬以106℃/s的速率冷卻并固化成薄肋狀；因淬火形成的高內應力必須用200℃~280℃之間的退火來減小，以便成為好的磁特性材料｡
　　變壓器鐵芯噪音，其中很重要的原因與鐵芯材料的磁致伸縮有關，非晶態鐵芯與硅鋼鐵芯有著顯著不同。

3 非晶合金鐵芯變壓器

　　美國麻省理工學院于1979年采用2605SC制作了15kVA的干式變壓器｡日本于1981年7月采用2605S2試制了10kVA的變壓器，再于1982年8月試制了30kVA的高壓油浸變壓器，1983年2月又試制了35kVA三相五柱式模型變壓器作研究對象｡我國在80年代初期進行對非晶態合金變壓器的研究，并于1986年由上海變壓器廠研制了30kVA的非晶態鐵芯變壓器｡90年代非晶鐵芯變壓器的研發已進入實用階段，國內數廠家相繼引進國外技術，生產出較大容量的非晶鐵芯變壓器｡

3.1 非晶合金鐵芯變壓器的構成
　　(1)變壓器鐵芯均為三相五柱式兩行矩形排列，在兩個旁柱中流過零序磁通，磁通不經過箱體，不產生發熱的結構損耗，使變壓器能滿足低噪聲､低損耗；
　　(2)高低壓線圈均為矩形的銅繞組，當線圈偶然發生短路時，能適應較大的機械應力破壞，線圈不產生變形；
　　(3)箱體采用冷軋鋼板制成的片狀散熱器，高低壓套管的上方加裝防冰雹､防塵､防雨罩，其引線無導體裸露，可用電纜接線，全絕緣保護；
　　(4)變壓器熱循環油填充硅油，箱體全密封，20年內免維護，且可適應高溫場所｡

3.2 非晶合金鐵芯變壓器的規格
　　(1)容量：30kVA~1600kVA，電壓6kV~10kV/0.4kV/0.22kV，聯結組標號為Y•yn0，D•yn11；
　　(2)空載損耗､負載損耗､阻抗電壓､主絕緣均符合GB/T6451-1995的技術要求｡

4 非晶合金鐵芯變壓器的節能效果

　　非晶合金鐵芯變壓器，具有低噪音､低損耗等特點，其空載損耗僅為常規產品的1/5，且全密封免維護，運行費用極低｡
　　S7系列變壓器是1980年后推出的變壓器，其效率較SJ､SJL､SL､SL1系列的變壓器高，其負載損耗也較高｡80年代中期又設計生產出S9系列變壓器，其價格較S7系列平均高出20%，空載損耗較S7系列平均降低8%，負載損耗平均降低24%，并且國家已明令在1998年底前淘汰S7､SL7系列，推廣應用S9系列｡非晶合金鐵芯變壓器SH12系列的空載損耗較S9系列降低75%左右，但其價格僅比S9系列平均高出30%，其負載損耗與S9系列變壓器相等｡下面僅對其節能效果與投資效益做一計算實例｡

4.1 計算公式
　　(1)有功損耗：ΔP=P0+KTβ2PK(1)
　　(2)無功損耗：ΔQ=Q0+KTβ2QK(2)
　　(3)綜合功率損耗：ΔPZ=ΔP+KQΔQ(3)
　　Q0≈I0%SN，QK≈UK%SN
式中：Q0——空載無功損耗(kvar)
　　P0——空載損耗(kW)
　　PK——額定負載損耗(kW)
　　SN——變壓器額定容量(kVA)
　　I0%——變壓器空載電流百分比｡
　　UK%——短路電壓百分比
　　β——平均負載系數
　　KT——負載波動損耗系數
　　QK——額定負載漏磁功率(kvar)
　　KQ——無功經濟當量(kW/kvar)

4.2 計算條件
　　(1)取KT=1.05；
　　(2)變壓器容量SN=800kVA聯結組別為Y•yno；
　　(3)對城市電網和工業企業電網的6kV~10kV降壓變壓器取系統最小負荷時，其無功當量KQ=0.1kW/kvar；