來(lái)?yè)P(yáng)電氣幫你回憶非晶變壓器的發(fā)展史

    上海來(lái)?yè)P(yáng)電氣有限公司是一家專門集生產(chǎn)、銷售、服務(wù)于一體的多元化企業(yè)，公司主要產(chǎn)品有試驗(yàn)變壓器、直流高壓發(fā)生器、直流電阻測(cè)試儀、兆歐表、串聯(lián)諧振、回路電阻測(cè)試儀、電纜故障測(cè)試儀、變壓器變比測(cè)試儀、變壓器介質(zhì)損耗測(cè)試儀等，我公司擁有20多項(xiàng)產(chǎn)品，也是電力檢修儀器的骨感型生產(chǎn)企業(yè)，熱忱歡迎社會(huì)各界的大力支持。

    自1885年匈牙利的岡茨工廠首先研制成*臺(tái)具有閉合磁路的單相變壓器以來(lái)，鐵心是一般碳素鋼絲或碳素鋼作為當(dāng)時(shí)的導(dǎo)磁材料，鐵心是卷鐵芯結(jié)構(gòu)。1903年出現(xiàn)熱軋硅鋼片，鐵心結(jié)構(gòu)改為疊片式，空載損耗低50%以上。1935年美國(guó)阿爾姆柯公司向市場(chǎng)供應(yīng)冷軋硅鋼片。1964年日本發(fā)明高導(dǎo)磁晶粒取向冷軋硅鋼片。1964年日本的新日鐵公司開始市場(chǎng)供應(yīng)這種硅鋼片。這樣，變壓器的空載損耗又一次大幅度下降，0.23mm厚經(jīng)激光照射或等離子處理的高導(dǎo)磁晶粒取向冷軋硅鋼片于50Hz及1.7T下的單位損耗已降到每公斤0.9瓦。 1960年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)首先從金和硅合金中發(fā)現(xiàn)另一種導(dǎo)磁的非晶合金，1974年美國(guó)聯(lián)信公司研制出鐵基非晶合金，1974年美國(guó)GE公司發(fā)現(xiàn)它有較低單位損耗（1.5T60Hz下的單位損耗為0.44W/kg）。從此，變壓器行業(yè)開始注意非晶合金作為配電變壓器導(dǎo)磁鐵心的材料。

    1978年美國(guó)研制出10KVA非晶鐵心變壓器，對(duì)外公開是1980年研制成的15kVA非晶鐵心變壓器。此后，國(guó)外很多變壓器制造廠開始研制這種變壓器，我國(guó)也已研制成功非晶鐵心變壓器，有的廠已能批量生產(chǎn)。目前，非晶鐵心三相配電變壓器的大容量已達(dá)2500kVA。非晶鐵心變壓器的投網(wǎng)運(yùn)行，已獲得可觀的節(jié)能效果。級(jí)配電變壓器年需量約5000萬(wàn)KVA，若全部采用非晶合金變壓器，一年可節(jié)電100億kWh以上。同時(shí)，還可帶來(lái)良好的環(huán)保效益，少向大氣排放CO2、SO2，減少核廢料。所以，推廣發(fā)展非晶鐵心配電變壓器不但有良好的節(jié)能效益（同容量配電變壓器的空載損耗可下降70%～80%），而且還有環(huán)保效益。建議國(guó)家電力公司應(yīng)大量采用非晶鐵心配電變壓器及非晶鐵心組合式變壓器。

一、非晶鐵心變壓器的特點(diǎn) 

    非晶合金是一種厚度極薄，僅0.03mm厚的一種導(dǎo)磁材料，故設(shè)計(jì)成卷鐵心結(jié)構(gòu)是佳的結(jié)構(gòu)方案。一般，單相變壓器的卷鐵心結(jié)構(gòu)是一個(gè)框，三相變壓器的卷鐵心結(jié)構(gòu)是由四個(gè)框合并成類似三相五柱式結(jié)構(gòu)。因?yàn)榉蔷Ш辖饚щy以剪切，一般是以邊緣剪切處加溫而獲得良好的剪切面，故卷鐵心截面都呈長(zhǎng)方形，長(zhǎng)寬比的選擇應(yīng)使導(dǎo)線平均匝長(zhǎng)與非晶合金重量為優(yōu)參數(shù)。  由于非晶合金的壓力敏感性，成形后鐵心應(yīng)在磁場(chǎng)下進(jìn)行消除壓力的退火處理，為了便于繞組在繞制好的情況下順利套在鐵心柱上（四框式卷鐵心的每個(gè)相繞組要在相鄰的兩個(gè)框上），在卷鐵心的每個(gè)框的鐵軛部分有交錯(cuò)布置的接縫。

    以上是一系列的加工過(guò)程，為獲得的性能，非晶合金具有交錯(cuò)接縫的卷鐵心都以標(biāo)準(zhǔn)尺寸并經(jīng)磁場(chǎng)下退火后由專業(yè)廠供貨的。三相配電變壓器容量較大時(shí)，因非晶帶的寬度限于220mm左右，故可選用幾個(gè)卷鐵心疊在一起的結(jié)構(gòu)，所以，用這種疊放式結(jié)構(gòu)，可使非晶鐵心三相配電變壓器單臺(tái)容量擴(kuò)大到2500kVA。從電氣性能上，由于采用三相四框五柱式結(jié)構(gòu)，每個(gè)相繞組套在磁路獨(dú)立的兩框上，每個(gè)框內(nèi)的磁通除基波磁通外，還有三次諧波磁通存在，三次諧波磁通占基波正弦波磁通的百分?jǐn)?shù)則與運(yùn)行時(shí)額定磁通密度選用值有關(guān)。一個(gè)繞組內(nèi)兩個(gè)卷鐵心框內(nèi)三次諧波磁通正好在相位上相反，數(shù)值上相等。因此，整個(gè)每一組繞組內(nèi)的三次諧波磁通相量和為零。只要變壓器三相繞組接法如D接，有三次諧波電流的回路，在感應(yīng)出的二次側(cè)電壓波形上就不會(huì)有三次諧波電壓分量。當(dāng)然，每個(gè)框內(nèi)的空載損耗還是會(huì)受到各自框內(nèi)三次諧波磁通的影響。根據(jù)上面分析，三相配電變壓器采用非晶鐵心獲得節(jié)能與環(huán)保效益的結(jié)構(gòu)方案將是：四框鐵心組成三相五柱結(jié)構(gòu)，非晶鐵心是經(jīng)退火且有交錯(cuò)鐵軛接縫的結(jié)構(gòu)，鐵心與繞組都是呈長(zhǎng)方形截面，繞組可采用先繞制成形的結(jié)構(gòu)，是較好的配合。

二、非晶鐵心的設(shè)計(jì)參數(shù)

     非晶合金的飽和磁密較低，固此額定磁通密度不宜選得更高，一般選取1.3～1.4T的磁通密度可獲得較好的空載損耗值。 由于非晶合金的單片厚度僅為0.03mm，故疊片系數(shù)僅80%左右，因此，非晶鐵心的毛截面要較硅鋼片鐵芯為大。雖非晶合金的比重比硅鋼片小，后的鐵心重量仍較重。鑒于非晶合金的價(jià)格較貴，有必要選用更合適的繞組排列，使整臺(tái)變壓器價(jià)格有所下降。

     傳統(tǒng)的配電變壓器都采用單同心結(jié)構(gòu)，即低壓繞組：高壓繞組是內(nèi)外布置。為了減少非晶合金用量，可采用雙同心結(jié)構(gòu)，即低壓繞分裂為兩部分，高壓繞組布置在兩個(gè)低壓繞組之間。將雙同心繞組結(jié)構(gòu)與三相四框五柱式非晶合金卷鐵心相配合可使非晶合金用量下降，從而使整臺(tái)變壓器價(jià)格趨于下降，更有效地能進(jìn)一步推廣非晶合金在配電變壓器的應(yīng)用。為使用戶獲得免維護(hù)或少維護(hù)的好處，非晶鐵心配電變壓器還可設(shè)計(jì)成全密封式結(jié)構(gòu)，使油浸式配電變壓器內(nèi)油與外界空氣不接觸，可防止油的氧化。由于非晶合金的壓力敏感性，非晶鐵心在受壓后空載損耗會(huì)增大，將繞組支撐在單獨(dú)的繞組支撐系統(tǒng)上，經(jīng)非晶合金鐵心配電變壓器的實(shí)際突發(fā)短路試驗(yàn)證明，這個(gè)結(jié)構(gòu)配合措施是正確的，而且是必須的。

     如果在組合式變壓器內(nèi)（國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)稱箱變）的鐵心也由非晶合金按上述結(jié)構(gòu)方案制成，更容易解決非晶合金成本高的難題，也就是說(shuō)，組合式非晶合金鐵心變壓器更具有發(fā)展前途。

三、人們對(duì)非晶合金鐵心擔(dān)心的一些問(wèn)題是不成立的

在非晶合金鐵心發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)非晶合金曾擔(dān)心過(guò)一些問(wèn)題：

    1、非晶鐵心變壓器出廠后經(jīng)一般運(yùn)行時(shí)間，非晶會(huì)不會(huì)晶化，空載損耗會(huì)不會(huì)經(jīng)運(yùn)行而

呈增加趨勢(shì)。應(yīng)該說(shuō)，這種擔(dān)心是沒(méi)有必要的，因?yàn)榉蔷Ш辖鸬木永餃囟燃s為415℃，晶化溫度為550℃。這些溫度對(duì)于非晶合金帶加工、鐵心成形后退火，正常運(yùn)行溫度，短路熱穩(wěn)定溫度都已是足夠高的值，所以對(duì)晶化的擔(dān)心在實(shí)際上是不存在的。   至于運(yùn)行中空載損耗會(huì)不會(huì)上升的問(wèn)題，早在開發(fā)非晶鐵心配電變壓器期間已有所考慮。1983年美國(guó)EPRI與GE公司以及紐約州電力公司曾對(duì)這一問(wèn)題有所考慮，到1985年已制造出的1000臺(tái)25kVA、15kVA柱上變壓器報(bào)送到90個(gè)EPRI成員單位進(jìn)行為期兩年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，運(yùn)行二年后的空載電流與空載損耗與交接試驗(yàn)時(shí)極為吻合。所以，由于不存在運(yùn)行中空載損耗有變化的情況，制造廠與用戶都在批量生產(chǎn)與批量運(yùn)行。據(jù)不*統(tǒng)計(jì)，在短短的二十幾年時(shí)間內(nèi)，已有各種規(guī)格的非晶合金配電變壓器60萬(wàn)余臺(tái)在配電網(wǎng)中運(yùn)行。

  2、非晶鐵心的磁致伸縮要較傳統(tǒng)晶粒取向冷軋硅鋼片要大，因此噪聲水平不易保持。這

也是一種誤解。在同一磁通密度下的磁致伸縮，非晶合金的這一值是比傳統(tǒng)晶粒取向冷軋硅鋼片要大。但是，冷軋硅鋼片的飽和磁通密度較高，約為2.03T左右，而非晶合金的飽和磁通密度較低約為1.5T左右。因?yàn)榉蔷цF心變壓器的額定工作磁通密度要比冷軋硅鋼片鐵心變壓器的額定工作磁通密度要低得多。實(shí)際的磁致伸縮是接近的。從同規(guī)格變壓器不同導(dǎo)磁材質(zhì)的實(shí)際聲級(jí)水平來(lái)看，非晶合金鐵心變壓器具有相同的聲級(jí)水平，也就是說(shuō)，就聲級(jí)水平而言，非晶鐵心變壓器與冷軋硅鋼片鐵心變壓器具有相同的水平。

四、結(jié)論

    綜上所述，三相2500kVA及以下三相配電變壓器采用非晶合金作為鐵心的導(dǎo)磁材料，不單有節(jié)能效益，而且有環(huán)保效益。非晶合金又是在退火后按標(biāo)準(zhǔn)尺寸供貨，變壓器制造廠不多增加鐵心加工生產(chǎn)線，所以，在推廣上不應(yīng)有難題。在合理的設(shè)計(jì)的參數(shù)與合理的繞組與鐵芯配合結(jié)構(gòu)下，會(huì)獲得合理的非晶合金變壓器價(jià)格，對(duì)國(guó)家而言，這是節(jié)能的重大措施。

    根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，非晶鐵心不但可用于配電變壓器，還可推廣到組合式變壓器（即箱變）不但可用于油浸式配電變壓器，還可用于樹脂澆注式干式變壓器，不但可用于工頻變壓器，還可用于中頻變壓器。如將非晶合金推廣延到超微晶合金，使飽和磁密度降到1.25T左右，使起始導(dǎo)磁率提高。這將是測(cè)量級(jí)電流互感器的理想導(dǎo)磁材料，比坡莫合金的價(jià)格要便宜得多，性能比坡莫合金還要好些。所以，非晶導(dǎo)磁材料應(yīng)列重大舉措而被廣泛應(yīng)用于變壓器制造行業(yè)。國(guó)家電力公司也應(yīng)推廣非晶鐵心配電變壓器在城鄉(xiāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展與改造中大量應(yīng)用，以獲得節(jié)能與環(huán)保的雙效益。來(lái)?yè)P(yáng)電氣幫你回憶非晶變壓器的發(fā)展史。