非晶合金干式变压器（共7篇）
非晶合金干式变压器 篇1
0前言
节能降耗是国民发展经济的一项长远战略方针。据世界银行统计显示,从改革开放以来我国GDP以平均每年9.83%的高速增长,已成为世界上能源消耗增长最快的国家,同时面临能源紧缺的压力。变压器作为电力系统的重要设备之一,降低变压器损耗可以节约大量能源。变压器的损耗主要为铁损与铜损,有效降低铁损可使变压器高效、节能化。使用非晶合金铁心制成的变压器空载损耗比传统取向硅钢片变压器降低约75%,节能效果十分显著,推广和使用非晶合金变压器将有效解决电能在传送过程中的损耗问题。
据统计,2015年全国发电量5.62万亿千瓦,输配电损耗中配电变压器电能损耗占全国发电量的3.3%,接近三峡集团四大电站2015年全年发电量,电能损耗十分严重。根据国家工业和信息化部、质检总局和发展改革委2015年8月13日联合发布的《配电变压器能效提升计划》,逐步淘汰高耗能配电变压器,到2017年底,将累计推广高效节能配电变压器6亿千伏安。通过计算,每推广1亿千伏安非晶合金铁心变压器每年约节电16.1亿千瓦时,那么6亿千伏安将实现年节电96.6亿千瓦时,相当于节约标准煤318.6万吨。在国家倡导节能减排的大环境下,非晶合金变压器市场前景广阔。
1三相三柱非晶合金铁心优点
1.1与取向硅钢片对比
采用非晶合金铁心具有以下优点:
(1)单位铁损比取向硅钢片低70%~85%,节能效果明显;
(2)激磁功率比硅钢片小80%以上,空载电流小。
1.2与传统三相五柱非晶合金结构对比
采用三相三柱非晶合金结构,具有以下优点:
(1)由于铁心取消旁轭,产品的宽度方向减小,产品占地面积减小约20%;
(2)由于铁心重量减小,成本降低6%~9%,空载损耗降低5%~8%;
(3)可以做成Yyn0联接组标号;
(4)在做好噪声处理、及装配问题后,设计磁密可略大5%;
(5)装配相对简单,可打开上铁轭合金片接缝后进行线圈套装,工艺性好。
2设计要求
2.1铁心结构设计
三相三柱非晶合金片外形见图1。非晶合金带材加工工艺复杂,材质硬而脆,难以剪切,变形加工困难。国内制造的非晶合金带材有安泰南瑞公司1K101带材、青岛云路公司1K101带材,国外制造的有日立金属公司2605SA1带材,并且铁心选用带材宽度只有三种:K=142 mm、N=170 mm、T=213 mm,在设计时根据变压器容量选择适合的带材宽度制成矩形截面的铁心。从结构形式上看,三相三柱非晶合金铁心一般将上铁轭部分设计成有交错搭接布置接缝的开口卷铁心结构,以便于组合成三相变压器铁心及方便线圈套装。
通常10 k V级、容量500 k VA及以下的小型干式配电变压器非晶合金铁心为两框三柱结构:采用两个内框铁心和一个外框铁心组成;当容量大于等于630 k VA时,由于受到非晶合金带材宽度最大宽度213 mm限制,单只铁心截面积不足以满足磁密要求,结构可采用:四个内框铁心与两个外框铁心分前后2只铁心使用环氧树脂粘接组合在一起(见图1右侧),此结构可制造较大截面积的铁心,采用这种多只铁心组合结构,解决了非晶合金片宽度的限制,使非晶合金铁心可满足2500 k VA容量使用。
2.2铁心拉板厚度选取原则
三相三柱非晶合金铁心见图2,铁心由非晶合金片及拉板通过环氧树脂粘接在一起形成一个整体。非晶合金铁心干式变压器结构设计与传统取向硅钢片干式变压器的铁心柱支撑结构不同,非晶合金片由于其特性不能受力,故将变压器结构设计为非晶合金片被铁心拉板、上下夹件及上下侧夹件组成的框架结构保护其中,在设计框架时,应留有合适的裕度,保证铁心不受挤压。表1是根据设计与经验得出的铁心拉板厚度的选取原则,厚度可根据非晶合金铁心的实际重量进行调整。
2.3磁密选取与空载损耗工艺系数
在设计变压器时,选择合理的铁心截面积可以有效的降低制造成本。众所周知:铁心的净截面积的计算公式S1=K×S,S1——净截面积,K——叠片系数,S——横截面积。根据2016年1月北京中机联供非晶合金科技股份有限公司提供的最新数据,现非晶带材铁心的叠片系数取值为0.88。据研究表明,磁密与空载噪声关系近似线性,根据实际产品在不同磁密下的空载噪声(声压级)可得图3。由图3可得:在设计非晶合金铁心变压器时,铁心磁密每升高0.05 T,空载噪声将增加约2 d B;在制造过程中由于对铁心受力的操作,造成非晶片存在不同程度的损伤,使得非晶铁心在制造为变压器产品后,噪声增加5 d B左右。因此,设计变压器磁密时应综合考虑噪声值与成本,合理的磁密能有效降低制造成本。根据目前非晶合金铁心干式变压器制造经验与水平,铁心磁密设计一般≤1.25 T,设计时应综合自身企业的制造工艺水平。
在三相三柱非晶合金铁心干式变压器制造中铁心与线圈装配时,分为三个步骤:(1)打开上铁轭合金片接缝;(2)套装变压器线圈;(3)闭合上铁轭合金片接缝。此三个步骤都将使合金片受力,导致变压器装配完成后铁心空载损耗及噪声值比装配前有所增加,故在设计时要留有合适的裕度。根据目前三相三柱非晶合金铁心干式变压器制造经验,空载损耗工艺系数一般取1.3左右。在制造时应考虑企业工装及装配水平,适当调整工艺系数。
2.4线圈结构设计
由于非晶合金带材的限制,只能制成长矩形,故变压器线圈必须采用矩形绕组,图4为非晶合金铁心干式变压器线圈结构示意图。矩形绕组在设计与制造工艺上与常规圆形绕组存在差异。有非晶制造经验的企业会发现,矩形绕组在绕制时,导线与线圈模具不贴服,导致线圈尺寸出现严重超差,故进行电磁设计时,应结合企业自身制造水平及绕组尺寸大小选取合适的绕制裕度,绕制时可用胶木锤敲打或者采取夹具整形,矩形绕组的幅向尺寸可得到较好的控制。在进行线圈设计时低压线圈通常采用箔式或圆筒式结构,高压采用多层圆筒式分段结构。高、低压线圈全部由环氧树脂包封,增强抗短路的能力。
2.5抗短路能力的设计[1]
非晶合金铁心变压器在发生短路时,产生强大电动力将直接作用在铁心上,导致合金片出现不可修复的损伤,严重破坏其导磁性能。由试验可得,矩形绕组在承受短路电动力时比圆形绕组更容易出现变形,这是由于矩形绕组受力不及圆形绕组均匀。
变压器在突发短路时,绕组要承受轴向与幅向电动力。通过生产实践,变压器可采取以下方法来增加绕组轴向抗短路的能力:(1)在线圈上、下部采用绝缘压块、绝缘垫块用压钉的方式将绕组压紧在上下夹件之间;(2)绕组全部采用环氧树脂浇注以增强结构强度。采取此两种措施后,足以承受突发短路时产生的轴向电动力。矩形绕组与圆形绕组在承受幅向短路电动力时差异较大,不能使用圆形绕组的经验公式计算。据研究表明:矩形绕组在承受短路电动力时,长轴方向变形最为严重,所以在设计时矩形绕组的长宽比不能太大,比值越接近1(即正方形),绕组受力变形最小。此外,在变压器装配时,可在绕组长轴与短轴方向增加支撑绝缘件以增强结构强度。
3工艺要求[2,3,4]
3.1噪声控制
研究表明,铁心噪声的主要来源是磁滞伸缩使铁心随励磁频率变化做周期性振动。在同一磁通密度下的磁滞伸缩程度,非晶合金的磁滞伸缩程度比取向硅钢片高10%。由于非晶合金材料对机械力非常敏感,无论是张、应力还是弯曲力都会影响其磁性能,导致噪声增大,因此在变压器结构设计和制造工艺上,采取措施减少铁心受力。
装配工艺是影响非晶合金铁心变压器噪声水平一个不可忽视的因素。装配方式将直接影响着非晶合金带材接缝的质量。三相三柱非晶合金干式变压器通常采用平装式,平装式不同于传统三相五柱结构的倒装式,不需在套装好线圈后翻转180°,故对铁心上铁轭接缝损坏最小,接缝回搭质量最好。在制造工艺上采用先进的装配定位台,控制绕组套装过程中的装配位置和应力,尽量一次到位,减少装配过程产生的应力和返工。非晶合金铁心开口接缝处理一般有以下几个原则:(1)搭接长度不得小于8 mm,一般为12 mm~16 mm;(2)搭接面保证平整,不得有毛刺、尖角;(3)搭接后可用3M胶水或耐高温胶封堵,减小接缝处的振动;(4)在铁心卷绕方向内侧、外侧包覆吸音毯,并且在铁心柱两边拉板处绑扎6块与线圈等高宽度比铁心拉板略宽的吸音毯;(5)对图1所示空腔用减震材料或耐高温胶进行封堵。此外,噪声值可根据行业标准JB/T22072-2008(干式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求)5.11变压器的声级水平表二的规定来约束,特殊情况下的声级水平可以与用户协商确定。
3.2工艺保证措施
非晶合金铁心片由于材料特性,对压力、撞击及弯折等敏感性极高。在受到压力、撞击及弯折后其空载损耗会增加,同时很容易出现断裂、掉渣等现象,从而可能引发变压器绝缘出现故障。因此,在装配及搬运过程中应做到轻拿、轻放,避免出现撞击、受压现象。特别是对上铁轭开口合金片接缝处,进行打开、立直及在线圈套装后弯折、接缝复原过程中必须精心操作。在装配过程中,应用吸尘器将合金片碎渣清理干净。在对上铁轭开口接缝打开之前,上铁轭必须刷变压器油。
4阻抗电压的计算
结合非晶合金变压器线圈结构示意图与漏磁面积计算示意图,如图4、图5所示,可得矩形绕组非晶合金变压器阻抗计算公式如下[5,6,7]:
有功分量:
无功分量:
将式(1)、(5)式代入(6)中即可得到阻抗电压:
阻抗电压:
式中:f─频率,Hz;
IW─安匝数(同一侧数据),A;
∑D─等效漏磁面积,cm2;─cm
λ─漏磁场总宽度,cm;
a1、a2、a12─低压绕组裸线厚度、高压绕组裸线厚度、
漏磁空道厚度,cm;
r1、r2、r12─低压绕组中心周长一半、高压绕组中心周长一半、
漏磁空道中心周长一半,cm;
ρ─洛氏系数;
K─电抗修正系数,取0.95~0.97;
et─每匝电势,V;─cm
H─平均电抗高度,cm;─W
PK─负载损耗,W;
Sn─变压器的额定容量,k VA。
5试验验证
根据上述的设计与工艺等进行试验验证,对5种容量三相三柱非晶合金干式变压器产品进行空载损耗、短路阻抗、噪声测试(声压级),试验结果如表2。
通过上表可得出:(1)空载损耗系数取1.3时,空载损耗试验值与设计值十分接近;(2)设计磁密控制在1.25 T以下并按照上文所述3.1噪声控制方法,噪声得到了较好的控制,与通常非晶合金铁心干式变压器噪声值62 d B相比效果明显;(3)试验得出的阻抗电压值与上文4所用公式计算结果一致。
6经济性分析
为满足社会的可持续发展和保护生态环境的需要,国家发改委已将非晶合金变压器列为重点产品。根据国家变压器质量监督检验中心的分析方法,变压器本身年运行的电能消耗为:
注:Po:空载损耗,k W;PK:负载损耗,k W;Io:空载电流,%;Sn:额定容量,k VA;Uk:短路阻抗,%;ρ:平均负载系数0.75年运行时间:8 760 h;无功经济当量:0.05 k W/kVar。
通过计算,符合GB/T 10228-2015常规干式变压器与符合GB/T 22072-2008非晶合金干式变压器产品每年的电能消耗如下表3:
根据上表3常规干变及非晶干变每年的电能消耗,节能效果进行比较分析:
1)1 000 k VA常规干变运行1年的电能消耗为:
2)1 000 k VA非晶干变运行1年的电能消耗为:
一台1000k VA非晶干变比常规干变产品年节省电73852-62289=11 563k Wh,节约运行成本约为:48004-40488=7 516元。按变压器的正常使用寿命30年计算,在整个寿命周期内可节省电能为346 890k Wh,节约运行成本约为225 480元。
7结束语
本文主要阐述了在三相三柱非晶合金铁心干式变压器设计与工艺需要注意的一些问题:铁心设计、磁密与空载损耗工艺系数、线圈设计、噪声控制、阻抗电压的计算等。在采用这些设计与工艺措施后,产品通过了所有的例行试验、型式试验和特殊试验,客户反应使用情况良好。通过对常规干式变压器及非晶合金铁心干式变压器每年的电能消耗,节能效果进行比较分析,非晶合金产品节能效果非常可观,投资回收效益快,值得大力推广。
摘要：非晶合金作为一种新型导磁材料,与取向硅钢片相比单位铁损小,可有效降低变压器空载损耗。三相三柱非晶合金铁心结构比传统三相五柱非晶合金铁心结构节材显著。介绍了三相三柱非晶合金铁心干式变压器结构及性能特点,对变压器设计及工艺中的几个关键问题进行分析和阐述,并结合产品试验结果进行对比分析。通过与常规干式变压器运行成本进行对比,证实非晶合金铁心干式变压器的节能效果非常可观,可为配电网节约大量电能。
关键词：三相三柱非晶合金,干式变压器,结构特点,噪声,短路阻抗,节能
参考文献
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非晶合金干式变压器 篇2
1.1 非晶合金简介
非晶合金是将铁、碳、硅、硼等材料熔化后采用超急冷凝固的方法, 将液态合金凝固时晶体中的原子来不及采取有序的方式排列结晶, 使得得到的固态合金没有晶格和晶界, 从而得到的非晶合金。这种非晶合金的制作工艺简单, 还具有许多优异的性能, 从80年代开始就成为国内外材料科学界重点关注和研发的对象。目前, 非晶合金主要分为铁镍基非晶合金、铁基非晶合金和钴基非晶合金等。
1.2 非晶合金的特性
非晶合金是一种新型的具有软磁性能的材料, 其磁化功率小且单位耗损较低, 由于它没有晶界和晶格, 使得它的温度稳定性较高;同时非晶合金是一种无取向的材料, 使得它的制作工艺较简单且性能优异;以硅钢片为铁心材料制作的伸缩度远远低于非晶合金, 因此, 在生产中, 应该采取有效的措施, 防止产生较大的噪声;非晶合金的硬度较大, 在非晶合金的加工的过程中, 切剪相对硅钢片来说难度大大增加了, 因此, 在产品加工时应该尽量减少非晶合金的切剪;另外, 非晶合金受到机械应力的影响较大, 机械应力容易改变非晶合金的磁性, 因此, 在设计采用非晶合金制造变压器时, 应该尽量减少铁心受到的机械应力, 从而减少非晶合金受到的影响。
2 干式变压器的分类和特点
2.1 干式变压器的分类
干式变压器对于安全的要求很高, 它的铁心一般不会放在液体中, 对于一些电压较低、容量较小的变压器, 为了制造过程的便利和日后维护, 也常常将它做成干式变压器。干式变压器一般分为三种, 即密闭式变压器、开启式变压器和塑封式变压器。
2.1.1 密闭式变压器
密闭式变压器即将变压器用一个外壳封起来, 使其与外界断绝联系, 这样的变压器往往在一些外界环境较恶劣的位置比较常见。密闭式变压器的内部往往充入六氟化硫气体, 该气体属于惰性气体, 具有良好的热稳定性, 它的散热能力和绝缘性都比空气好得多, 这就有效解决了密闭式变压器内部容易发生故障的问题。
2.1.2 开启式变压器
开启式变压器是目前使用最广、最常见的一种类型, 整个变压器与空气相连通, 它的结构比较简单, 这种类型的变压器比较适用于一些需求电压比较小、容量比较低的工程, 在一些空气比较干燥洁净的环境中比较常见。该变压器主要由空气散热, 但是空气承受电压冲击的能力相对较弱, 因此, 在使用的过程中应该与电压高的线路隔开, 避免受到高强度电压的影响。
2.1.3 塑封式变压器
塑封式变压器即采用一些绝缘的材料将变压器封起来的形式, 在实际生产中, 主要采用环氧树脂等一些树脂和玻璃纤维将线圈包起来, 这样做成的变压器具有良好的绝缘能力和强度, 同时不会受到环境中灰尘等外界因素的影响, 便于日后的保养维护工作。另外, 该变压器具有优良的防火防水能力, 且结构简单、便于生产。
2.2 非晶合金干式变压器的特点
由于非晶合金干式变压器采用非晶合金的材料制作而成, 该材料在使用时损耗很低, 在作为变压器的铁心时, 不易被慢慢消耗掉, 这就大大降低了日后的维护次数。同时, 这种较低的负载损耗的特点, 大大节约了能源的使用, 提高了用电的效率。另外, 使用非晶合金制造的变压器在运行时温度较低, 又具有较高的绝缘性, 这就大大延长了变压器的使用寿命, 同时又降低了损耗, 对于保护环境也有一定的现实意义。
3 非晶合金干式变压器的安全性
非晶合金具有很特殊的性能, 在作为干式变压器的制作材料时常常采用高低压线圈的矩形结构, 相比传统的圆形线圈的结构, 矩形线圈结构的受力没有那么均匀, 同时非晶合金受到的机械应力会大大增加。因此, 在非晶合金干式变压器的生产过程中, 高压线圈常常采用塑性封闭的刚体结构, 这样铁心就不会受到机械应力的作用, 同时还可以承受铁心的重量和电路短路时产生的轴向电动力。这样采用非晶合金材料研发的干式变压器的运行情况比传统的更加安全, 同时也因它的安全性而在实际中得到了更广泛的应用, 并有很多企业应用了这种干式变压器取得了很好的效果。
采用刚体结构的非晶合金干式变压器具有很高的机械强度, 能够承受很大的机械应力, 满足生产的要求, 因此, 非晶合金干式变压器与传统的干式变压器相比, 结构上存在较大的差异, 由此带来的安全隐患也可以通过采取合适有效的措施来清除。从以往非晶合金干式变压器在国内外的应用中可以确定, 非晶合金干式变压器的安全已经得到保障, 可以在生产中广泛使用。
4 非晶合金干式变压器中需要改进的几个问题
随着我国电力行业的发展和进步, 对变压器的要求也逐渐变高, 而非晶合金干式变压器的出现大大推动了我国电力行业的发展。因此, 研究我国非晶合金干式变压器中存在的问题有重要的现实意义, 而在我国非晶合金干式变压器的应用中主要存在以下三个问题, 即噪声带来的影响、变电器的容量小和成本高。
4.1 噪声带来的影响
自从我国开始研发非晶合金干式变压器以来, 我国的电力行业得到了发展, 但非晶合金材料特性带来的噪声一直是影响最大的问题。由于我国对非晶合金干式变压器的研究不断加深, 干式变压器工艺水平的提高, 非晶合金带来的噪声问题也逐渐得到有效的控制, 但还离最佳有一点的距离, 因此, 进一步加大对非晶合金干式变压器中噪声的研究已为发展所需, 这对非晶合金干式变压器的发展也有一定的现实意义。
4.2 容量小
非晶合金材料的体积有限, 而受到变压器本身结构的限制, 使得非晶合金变压器的容量受到了限制, 完全满足不了生活的需求, 目前世界上最大容量的非晶合金变压器是5 000 k VA, 而如何研制更大容量的非晶合金干式变压器成为了非晶合金变压器发展与进步的主要因素之一。
4.3 成本高
非晶合金干式变压器的制作材料的成本较高, 同时制造一个非晶合金干式变压器还需要花费较长的时间, 企业研制的这种类型的变压器推广销售的不好, 将给企业带来很大的经济问题。另外, 由于采用非晶合金作为原材料制造而成的干式变压器是一种新型产品, 并不为市场所接受, 一些电力部门习惯了熟悉的变压器类型, 这对企业来说也有一定的影响。
5 结语
近些年, 我国的经济水平不断提升, 人们的生活水平也在不断在提高, 人们对电力的需求量和质量的要求也在不断提高, 研究新型的干式变压器对于我国电力行业的发展有一定的促进作用。另外, 这对于我国向节能社会的方向发展也有一定的意义, 同时也响应了政府提出的建设节约型社会的号召。
摘要：随着我国经济发展水平的提高, 我国开始提高节能生活的要求, 在这种背景下, 而用非晶合金作为铁心的干式变压器逐渐取代传统的变压器, 成为电力行业节能的首选。该文从非晶合金的介绍出发, 对非晶合金的特点和安全性进行叙述, 最后阐述了非晶合金干式变压器需要改进的几个问题, 这对于我国电力行业的进步和发展有重要的作用, 同时也对我国实现节能减排有重要的现实意义。
关键词：非晶合金,干式变压器,特点,性能
参考文献
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打造“节能降耗”非晶合金变压器 篇3
中电电气集团凭借敏锐的市场能力和雄厚的技术实力, 在变压器节能发展中抢得先机, 迅速推出相应产品, 奠定了行业领导地位。2008年底, 中电电气在原有三相五柱非晶合金干式变压器基础上, 成功开发出第二代三相三柱非晶合金干式变压器S C R B H 15, 并作为重要产品推向市场。三相三柱S C R B H 15型系列非晶合金变压器最大容量达3150千伏安, 拥有完全自主知识产权和多项国家专利。目前, 中电电气在北京、上海、江苏、安徽、重庆、福建等省都有非晶合金变压器中标项目。
非晶合金产品在节能降耗方面有非常大的竞争优势, 它的空载损耗只占到常规变压器的4 0%左右, 可以节能约60%。
在推出非晶合金三相三柱干式变压器之后, 中电电气又投产了非晶合金油浸变项目, 运用全流水线的形式制作非晶合金油浸式配电变压器, 项目引进世界最先进的生产设备和工艺, 所有的能耗和成本均可降低, 因此规模化生产分摊下来的成本更低。生产三相三柱非晶合金油浸式变压器, 在常规生产模式的基础上增加了很多工艺过程。比如在线圈制造上增加了一道线圈的压装工艺。线圈绕制出来是有一定拉力和弧度的, 制作完成后必须要增加一道工序。再比如, 变压器里油的耐压值是很关键的。实际上只要完全排除油里面的空气, 那么耐压值马上能够得到提高, 在这个过程中, 中电电气选用了在线的真空注油, 注油设备也是特制的。另外, 中电电气还改变了传统的测试形式, 可以做到多台变压器一次性接线, 一次性完成所有的测试项目。
非晶合金产品虽然已经发展了20多年, 但还是一个新兴的产品, 外界对它的稳定性和可靠性仍有质疑。由于非晶合金材料的厚度只是硅钢片的十分之一, 生产工艺比较难。但只要设备和工艺能够保证的话, 产品的质量可以完全得到保证。
非晶合金铁心变压器的节能特点 篇4
非晶合金铁心变压器的铁心是用非晶合金制作而成, 比硅钢片变压器的空载损耗下降约75%, 空载电流下降约80%[1]。
据估计, 我国变压器的总损耗占系统发电量的10%左右, 损耗每降低1%, 每年可节约上百亿度电能。降低变压器损耗是势在必行的节能措施。由于低损耗是电力传输设备的重要性能指标之一, 因此非晶合金铁心变压器以其显著的低空载损耗性能倍受生产制造和电力用户的关注。
1 非晶合金电力变压器特点
非晶合金材料指采用快速致冷工艺加工而成的金属材料, 含铁78%～81%、含硼13.5%、含硅3.5%～8%, 另外还含微量的镍和钴等金属元素[2], 它具有良好的铁磁性。采用非晶合金材料制造成变压器铁心的变压器称为非晶合金变压器。非晶合金变压器具有以下特性。
(1) 制造工艺简单, 成材率高。非晶合金材料快速冷却凝固成20～60μm厚的合金薄带, 该工艺比硅钢片工艺节省了很多工序, 节省损耗能量80%。而非晶合金成材率高, 制造铁心的工艺方法、设备均较简单。
(2) 铁芯损耗低, 其节能效果明显, 且回收年限短。
(3) 价格逐年接近硅钢式变压器价格。非晶变压器将成为取代现有硅钢变压器的主要产品。
(4) 其磁化功率小, 并具有良好的温度稳定性。
(5) 硬度高, 单片厚度薄, 大约是硅钢片的1/10左右, 且叠片系数低, 涡流损耗大大降低。
(6) 磁畴伸缩程度比硅钢片高约10%, 故不宜过度夹紧
(7) 对机械应力非常敏感, 张应力或弯曲应力都会影响它的磁性能。
(8) 饱和磁通密度较低, 空载损耗很低, 节能效果明显。
(9) 可有效减少CO、SOx、NOx等有害气体的排放, 降低大气污染[3]。
2 非晶合金电力变压器的节能分析
2.1 节能性能的技术指标
衡量变压器节能性的主要指标是综合损耗。综合损耗主要由铁磁损耗、负载损耗、无功当量损耗组成。变压器的无功当量损耗会采取补偿措施, 损耗并不大, 因此可以忽略。变压器的综合损耗为:
式中β为负载率;Pf为额定负载损耗。从上式可以看出, 负载率越高, 综合损耗越高。随着变压器容量的增大, 节能效率也逐步提高。
2.2 生产成本节能分析
采用非晶纳米晶软磁性材料作变压器、电动机等电力设备的铁芯之所以节能, 除了它本身的特软磁性、电阻小、铜耗、铁耗、磁滞损耗大大降低使设备本身耗能少以外, 还因为非晶材料合金生产过程的能耗低, 制造工艺简单, 一次成材, 与生产硅钢片相比, 能耗要少得多。无负载损失可减少到传统硅钢变压器的1/5左右。
2.3 实际节能分析
根据运行经验, 1台500 kV·A的SBHl6型非晶合金变压器运行1年后, 比S9硅钢变压器节约能耗达9373 kW·h。其节能效果是相当可观的。
小容量变压器以非晶态合金铁心变压器性能为优。当随着容量增大, 与硅钢片铁心的变压器的性能接近。在铁耗上节约的幅度与其铜耗上超出硅钢片铁心的变压器的部分相抵。大容量非晶态合金铁心变压器的质量与体积都超过相同容量的硅钢片铁心的变压器。
2.4 非晶合金电力变压器的投资回收
非晶合金变压器的价格比较高, 投资必须考虑资金的回报率。
相对于S9型变压器, 非晶合金变压器负载率越高, 变压器的容量越大, 相对于S9变压器的多投资回收期也越短。
3 非晶合金电力变压器的运行特点
(1) 由于过电压或瞬时波动造成的过励磁运行不影响其空载性能。
(2) 负载不平衡时空载性能基本稳定。
(3) 过负荷运行时空载性能增大, 对于重载负荷区不宜使用。
(4) 能够适应户外条件。
(5) 倾斜时空载性能不受影响。
4 非晶合金电力变压器的应用
我国生产非晶合金变, 压器的技术成本比美、日、欧高, 我国没有自已的非晶合金变压器的制造技术, 导致非晶合金电力变压器在我国的价格一直居高不下。
实际应用表明, 非晶合金变压器的空载损耗小, 经济运行负荷率较低。适用于负载率较低的电力系统。在我国推广非晶合金变压器可以降低变压器的损耗。
非晶合金变压器的使用除具有直接的经济效益外, 还减少了发电产生的废气、废渣对环境的污染, 节约了自然资源。
5 结论
非晶合金变压器性能优异, 节能效果明显, 应广泛推广应用。在工程上应以大容量、高负载率的采用原则来确定非晶合金变压器的容量。应加快非晶合金变压器的国产化, 降低非晶合金变压器的价格。
摘要：非晶合金铁心变压器是用非晶合金制作而成, 比普通变压器的能耗小, 是较为理想的变压器。但是它的磁通密度低, 机械应力敏感, 工作期间可能导致空载损耗增大。本文研究了非晶合金铁心变压器的特点, 提出了相应节能措施。
关键词：非晶合金,电力变压器,节能
参考文献
[1]惠希东, 陈国良.块体非晶合金[M].北京:化学工业出版社, 2007.
[2]茅建华.非晶合金变压器节能经济效益分析[J].上海电力学院学报, 2005.
非晶合金变压器的设计及应用前景 篇5
1 非晶合金变压器概述
非晶合金是将主要的材料相互熔化 (其中硼、铁、镍、硅以及碳等为主要的选用材料) , 在熔化之后的液体状态之下, 以106K/s的速度急速地冷却下去, 在冷却之后, 从合金液体形态一次成形为金属薄片, 而其固态的合金并没有晶格与晶界的存在, 所以这样的合金也就称之为非晶态合金。
非晶合金变压器指在变压器当中以非晶合金材料当作其铁芯使用, 相比原先变压器中使用硅钢片作为铁芯材料的变压器, 大幅度地降低了其空载的损耗以及空载电流。
2 非晶合金变压器设计
选取非晶合金变压器时, 主要是通过降低变压器的空载损耗来实现节能, 所以在非晶合金变压器设计当中最应考虑的问题就是降低其空载的损耗。在布置非晶合金变压器结构位置的时候, 首先需要考虑外力的作用, 其次是选取合理的特性合金参数。非晶合金变压器在设计的过程中还需遵循以下几个方面的要求:将非晶合金变压器设计改造成为全密封式的结构来使用, 这是为了减少后期对变压器的维护, 也称为“变向”保护变压器;一般来说, 非晶合金材料的单片厚度为0.03mm, 而叠片的系数由于受到厚度的影响, 也只能达到85%左右;考虑到非晶合金材料饱和磁密相对偏低的特性, 因此在额定的磁通密度的选取中, 一般只能选择1.3～1.5T之间的密度, 才能符合对空载损耗值的理想选择。
通过对非晶合金材料的研究, 笔者得出非晶合金材料具有很突出的导磁性, 所以选择其来作为变压器的铁芯材料才使用, 能够有效地降低变压器的损耗值。考虑到非晶合金本身有很多方面的特性, 所以在非晶合金材料的设计与制造的环节中, 需要从以下几个方面对其进行考虑:
(1) 为了减少铁芯片的剪切量, 整台产品的铁芯由4个单独的铁芯框并列组成, 并且每相绕组是套在磁路独立的2框上。每个框内的磁通除基波磁通外, 还有三次谐波磁通的存在, 一个绕组中的2个卷铁芯框内, 其三次谐波磁通正好在相位上相反, 数值上相等, 因此每一组绕组内的三次谐波磁通向量和为零。如一次侧是D接法, 有三次谐波电流的回路, 当在感应出的二次侧电压波形上, 就不会有三次谐波电压的分量。
(2) 考虑到每片非晶合金厚度较薄, 且非晶合金材料表面不够平滑, 所以对于其变压器使用铁芯的填充没有较高的要求。
(3) 非晶合金材料具有很好的低损耗的性能, 但是通过了退火处理之后, 非晶合金材料的低损耗特性将会更加优良。
(4) 非晶合金材料具有超高的硬度, 所以一般常用的工具都不能够将其轻松的剪切下来, 所以在对非晶合金材料进行设计的时候, 需要尽量减少剪切量。
(5) 对于机械应力来说, 非晶合金材料非常敏感, 所以在设计其结构的时候, 其承重结构件的选择上, 尽量不要使用铁芯。
通过上面设计中对于非晶合金材料的分析来看, 其结构最合理的选择为:经过退火处理之后的铁芯, 然后在同一平面内由4个单独存在的铁芯框组成三相五柱式, 并带有交叉铁轭接缝, 其截面为长方形。油箱为全密封免维护的波纹结构。绕组为长方形截面, 可单独绕制成型的, 双层或多层矩形层式。
3 非晶合金变压器的性能和使用效果
与新型S9配电变压器比较来看, 非晶合金铁芯损耗值较低, 而新型S9变压器一般是选择冷轧硅钢片来作导磁材料, 其磁通密度在1.65～1.75T之间, 相比非晶合金的饱和磁密度, S9的密度偏高, 这是变压器选取非晶合金铁芯的原因, 也是其损耗低的原因。
将三相非晶合金铁心配电变压器与新型的S9配电变压器相比, 在每年节约的电量也在一个客观的数值范围内。以800kVA为例, △P0为1.05kW;2种型式配电变压器的负载损耗值是一样的, 那么△Pk=0, 通过这样就能够计算出一台变压器每年能够减少的电能损耗电量:Ws=8760× (1.05+0.62×0) =9198kWh。
通过以上计算公式来看, 三相非晶合金铁芯配电变压器具有很明显的节能优势。由于其油箱采用的是全封闭式结构, 变压器内部的油完全与外界的空气想隔绝, 这样阻止了油的氧化, 最终达到了增加变压器寿命的目标。在笔者所处的汾阳市的农村低压电网改造中, 逐渐地将S7以及部分S9系列的变压器替换成新型的非晶合金变压器, 从而有效地降低了线损值。
4 非晶合金变压器发展前景
在能源日益紧张、缺乏的时期, 降低能耗已经刻不容缓。目前, 我国生产变压器的企业多达1000多家, 平均年产量在5000万kVA左右, 占据了总额的三分之一。随着近几年电力负荷增长了10%以上的情况下, 相当于在每年增加了大约37万台315kVA配电变压器, 如果将这些变压器全部换成节能型的非晶合金材料为铁芯的变压器, 就相当于一年中节约了24.6亿k Wh的用电量。如果将这些电量折算为能耗和废气, 也约等于一年中减少耗煤量101万吨, 减少203万吨的二氧化碳的排放, 从而净化环境, 减轻环境污染。
在未来前景中, 还有如下几方面问题有待解决:
(1) 扩大与稳定。目前, 我国的非晶合金材料需要得到进一步的扩大, 且保持在一个稳定的状态。虽然在现阶段, 我国的非晶合金材料已经步入了规模生产的环节当中, 其性能仍然不够完善, 存在不稳定的因素。
例如:在目前国内生产的非晶合金材料只存在142mm一个规格宽度, 但是如果采用进口的材料则多了170mm及213mm两种材料的选择。随着变压器用户的技术要求不断提升, 也就要求了生产变压器的厂家能够生产出更多宽度的材料, 这对生产变压器的厂家带来了新的任务以及挑战, 这样就需要我国的变压器生产厂家尽快的进行改进, 开发出更多能够满足需要的变压器产品出来。
非晶合金干式变压器 篇6
我国是世界上能源消费增长最快的国家, 同时也是能源紧缺国家, 为满足社会可持续发展和保护生态环境的需要, 国家发改委已将非晶合金变压器列为重点推广节电产品。非晶合金干式变压器作为一种新型的低损耗干式变压器, 除了继承硅钢片铁心干式变压器产品的大部分优点外, 还显示出优越的技术性能和良好的社会经济效益。本文通过分析非晶合金变压器与硅钢片铁心变压器运行时的各种参数比较, 说明了非晶合金变压器的参数性能优于硅钢片铁心变压器的参数性能。
2 非晶合金变压器与硅钢片铁心变压器运行参数比较
对《GB/T 22072-2008干式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求》[1]与《GB/T10228-2008干式电力变压器技术参数和要求》[2]进行比较, 见表1, 可以看出非晶合金产品的空载损耗仅为GB/T 10228-2008损耗值的28%左右, 而负载损耗为94%, 空载电流为67%。非晶合金产品的参数性能大大优于国标GB/T 10228。
下面以一台SCBH15-500/10与一台SCB9-500/10为例, 通过实际运行数据进行各种性能比较。
2.1 损耗比较
表2是在不同负载率下测量非晶合金变压器与硅钢片铁心变压器的总损耗值, 图1是两者比较的曲线图。
由表2和图1可以看出, 在不同的负载率下, 非晶合金变压器的总损耗值均大大优于硅钢片铁心变压器。
2.2 温升比较
表3是在不同负载率下测量非晶合金变压器与硅钢片铁心变压器的温升值进行比较。
从表3中可以看出, 在不同的负载率下, 非晶合金变压器的高低压绕组、铁心温升均低于硅钢片铁心变压器。
2.3 噪声比较
表4是在不同负载率下测量非晶合金变压器与硅钢片铁心变压器的噪声值进行比较。
从表4中可以看出, 在不同的负载率下, 非晶合金变压器噪声比硅钢片铁心变压器要高。这其中的原因是非晶合金的制造技术不够成熟, 随着非晶合金变压器制造技术的日益成熟, 非晶合金变压器的噪声问题也会逐渐得到控制。
2.4 变压器效率
表5是在不同负载率下测量非晶合金变压器与硅钢片铁心变压器的效率值进行比较。
从表5中可以看出, 在不同的负载率下, 非晶合金变压器效率要比硅钢片铁心变压器要高。对于效率要求高的情况, 非晶合金变压器是一个很好的选择。
3 非晶合金变压器过负载能力和过电压能力
明珠电气公司对非晶合金变压器的过载能力进行了系统的理论与试验研究, 在过载20%的情况下不会引起空载和负载的突变。图2中负载特性图示表示在过负荷1.2倍的情况下, 非晶合金变压器的仍然能够正常运行, 足以证明其过负载能力。图3与图4表示在1.2倍过励磁的情况下, 非晶合金变压器的空载损耗和空载电流没有突变, 表示该非晶合金变压器在1.2倍过励磁仍然能够正常运行。非晶合金变压器的过负载能力和过电压能力足以与硅钢片铁心变压器相媲美。
4 结语
通过以上损耗、温升、噪声和效率的比较可以看出非晶合金变压器的损耗、温升值和效率均优于硅钢片铁心变压器, 由于变压器的寿命与变压器的温度有关, 故非晶合金变压器的寿命也比硅钢片铁心变压器的寿命长。
以往很多人多认为, 非晶合金铁心变压器的过负载能力和过电压能力都要比硅钢片铁心变压器的过负载及过电压能力弱, 但通过研究表明, 只要设计合理, 非晶合铁心金变压器在1.2倍过负载及过电压下变压器均能正常运行, 这说明了非晶合铁心金变压器拥有很好的过负载能力及过电压能力, 与硅钢片铁心变压器的性能不相上下。
非晶合金变压器的制造技术要比硅钢片铁心变压器的制造技术晚, 故有不少技术问题还需要逐步提高。相信随着非晶合金变压器制造技术的日益成熟, 非晶合金变压器的缺点会越来越少, 非晶合金变压器的应用将会更加广泛。
摘要：分析比较了非晶合金变压器与硅钢片铁心变压器运行时的各种参数, 包括对不同负载下变压器的空载损耗、负载损耗、温升、噪声、效率以及过载能力和过电压能力的比较, 从而得出非晶合金变压器参数优于或不亚于硅钢片铁心变压器参数, 为研究非晶合金变压器提供参考。
关键词：非晶合金,变压器,运行参数
参考文献
[1]GB/T22072-2008.干式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求[S].
非晶合金干式变压器 篇7
在冶金材料中,金属或合金属于晶态结构材料,这类材料中的原子呈有序排列,其点阵结构具备周期性特点。而非晶合金是指在液态或气态物质在急速冷凝固状态下,合金原子中的结晶未能有序排列,使得固态合金原子呈现出无序结构,不存在晶态合金的晶界、晶粒。非晶合金的性能优异、工艺简单,属于先进的冶金材料,拥有良好的耐磨性、耐蚀性、磁性、韧性、耦合性、电阻率、硬度和强度。非晶合金的构成元素为80%的铁元素和20%的硅元素,具有高饱和磁感应强度,相比较硅钢片而言,其在磁导率、铁损、激磁电流等方面均显现出优势,尤其在铁损方面,非晶合金仅为硅钢片的1/3,将非晶合金应用到变压器中,可有效降低能耗。非晶合金的带材厚度一般为0.03mm,适用于条件为10k Hz以下频率,当前已经被广泛应用于大功率开关电源、磁放大器、逆变器以及各类型变压器中。
2 非晶合金铁心变压器的结构
由于非晶合金材料的加工工艺较为复杂,在现有的技术条件下,非晶合金带材的规则只有三种宽度分别为142mm、170mm、213mm,其特点是硬而脆、难以剪切和加工。鉴于此,绝大部分的非晶合金铁心采用的都是长方形截面。从其结构形式上看,具体是将下铁轭部分设计成交错搭接的开口单卷卷铁心结构。三相五柱式是一种用于非晶合金变压器铁心结构较为普遍的形式,如图1所示。
3 非晶合金铁心变压器的应用前景
以非晶合金作为铁心的变压器具有节能和环保的优点。在节能方面,非晶合金铁心变压器的空载损耗非常低,这使其节能效果非常显著,因非晶合金材料有着优异的导磁性,能够以较少的能耗磁化或是消磁,因此非晶合金铁心变压器的空载损耗要远远低于常规变压器,这一特点在实际应用中得到了验证。此外,在一些电力负荷波动变化较大的领域中,如公路、城市基础设施、民用住宅小区等等,非晶合金铁心变压器也同样具有良好的节能效果,它的应用不但能够节省大量的电厂投资,而且还能减少发电燃料的消耗,经济效益十分明显。在环保方面,通过相关的技术检测结果可知,将非晶合金铁心用于油浸式变压器时,能够减少各类有害气体的排放,如一氧化碳、氧化硫、氮气等等,这对于降低大气污染较为有利。
作为发展中国家,我国的能源消费增长速度加快,同时,能源紧缺也是一个不争的事实。为此,国家将节能作为了一项重要的基本国策。随着城乡电网改造进程的不断加快,国电总公司相继实行了更换S9型节能变、停产S7型和淘汰电网中64及73系列的高能耗变压器等措施,这对电网线损的降低起到了一定的作用。据相关调查统计数据结果显示,现阶段我国输配电损耗约占电力总产量的7%左右,由此导致了电力利用率有所降低,大量的电能白白浪费,因此降低变压器损耗成为节能降耗的当务之急。配变是电力传输系统的关键设备,其数量多、运行时间长、节能潜力巨大。随着电力工作者对非晶合金材料优点的逐步认识,非晶合金铁心变压器势必会在不久的将来取代传统的铁心变压器,通过非晶合金铁心变压器在配网当中的大规模应用,能够发挥出不可估量的节能作用,由此产生的经济效益和社会效益非常巨大。不仅如此,还有利于电能质量的提升和电力系统自身损耗的降低。非晶合金铁心变压器的初期成本虽然要比传统变压器高很多,但它所具有的优异的低损耗性能,将会使运营成本大幅度降低,由此带来的经济效益是非常巨大的,足以抵消前期投资成本。鉴于此,推广普及此类变压器对于节能增效具有重要的现实意义。
4 非晶合金铁心变压器的发展方向
与优质冷轧硅钢片相比,非晶合金材料的价格略高,加之其工作磁密度略低,需要使用大量的导线,使得非晶合金铁心配电变压器的价格高于硅钢片配电变压器。但是,非晶配变的使用性能优异,在综合考虑变压器寿命周期内的能耗情况下,可在非晶配变价格高于硅钢片配变30%以内时,选择安装非晶配变是最为经济的方案。从投资效益上来看,使用非晶配变能够大幅度减少空载损耗,这部分损耗节省的资金可用来抵消非晶配变一部分售价,使得非晶配变即便售价过高,也仍具备良好的投资价值。对于工厂企业而言,选择非晶变压器时需要多投入一部分资金,但是在非晶变压器使用中,可有效节省电费支出,使得多支出的这部分资金基本会在4~5年内回收。对于电力系统而言,线路损失是重要经济考核指标,选用非晶变压器可有效降低线损,提高供电经济效益。
参考文献
[1]邓云川,高宏.非晶合金铁心变压器及其在电气化铁路中的应用[J].高速铁路技术,2013,(8):81-82.
[2]王金丽,盛万兴,向驰.非晶合金配电变压器的应用及其节能分析[J].电网技术,2008,(18):25-29.