非晶合金变压器应用研究

2016-10-18河南省电力勘测设计院河南郑州450007

低碳世界 2016年26期

燕　妮（河南省电力勘测设计院，河南郑州450007）

非晶合金变压器应用研究

燕妮（河南省电力勘测设计院，河南郑州450007）

站用变损耗是变电站损耗的重要组成部分，故降低站用变损耗具有较大的实践意义。站用变损耗由空载损耗和负载损耗组成，采用非晶合金材料后，可大幅降低变压器的空载损耗。论文分析和研究了非晶合金变压器特性，对比分析变电站站用变采用非晶合金变压器和S11型硅钢片变压器的站用变损耗和经济效益，得出非晶合金变压器可以显著降低变压器损耗、减少站用变运行成本，具有较大的经济效益和社会效益。

变电站；非晶合金变压器

1　非晶合金变压器研究概述

1.1非晶合金变压器的研究意义

在配电网的损耗组成中，变压器损耗约占比30～60%，其中空载损耗约占变压器损耗的50～80%，因此降低变压器的损耗是降低配电网损耗的主攻方向和节能的主要环节。

非晶合金变压器节能效果明显，其显著特点是空载损耗很低，仅为S11系列油浸式变压器的20%左右，符合国家产业政策和电网节能降耗的要求，是目前节能效果较理想的配电变压器。

目前我国在电网运行使用的非晶合金变压器占配电变压器的比重为7～8%，其余大部分仍是传统的硅钢片变压器。因此，加强对非晶合金变压器在变电站中应用研究，可推动非晶合金变压器在全国范围内得到推广使用，达到节能减排的效果。

1.2论文研究内容

站用变损耗作为变电站损耗的重要组成部分，而非晶合金变压器可以极大的降低站用变空载损耗，本文基于对非晶合金变压器的分析主要工作如下：

（1）首先分析和研究了非晶合金变压器特性，介绍了其工艺结构和技术性能，分析了其负载损耗和空载损耗；

（2）以上海碧海220kV变电站为依托，对比分析了站用变采用非晶合金变压器和S11型硅钢片变压器的站用变损耗和经济效益，得出站用变在采用非晶合金变压器后，可以显著降低站用变损耗、减少站用变运行成本。

2　非晶合金变压器的特性分析

2.1非晶合金变压器的工艺结构

非晶合金是先将铁、镍、硼、钴、硅和碳等材料熔化使其在液态的状况下迅速进行冷却，一次性形成金属薄片，该种合金不存在晶格或晶界，被称作非晶合金。非晶合金材料工艺主要流程如图1所示。非晶合金分为三类，分别为铁镍基非晶合金、铁基非晶合金以及钴基非晶合金，合金厚度相当薄，仅为0.03mm，具有相当大的硬度，具有剪切困难的缺点，最大宽度为210mm左右，具有很好的压力敏感性，但是铁芯与绕组需要具有各自的机械支撑系统。

图1　非晶合金变压器加工工艺流程图

非晶合金变压器的组成主要为四个单独铁芯框，它们同一平面内进行组合，以组成三相五柱式，退火处理是制作变压器的必须流程，并带有交叉铁轭接缝，截面呈长方形。单独进行绕组的制作，其形式一般为矩形层式，层数可以是双层或多层。油箱采用全密封波纹结构，能够减少维护方面的麻烦。

非晶合金铁芯变压器在空载情况下具有较低的损耗值，这是其较为突出的优点。在实际生产过程中，变压器的性能受制于设计与制作工艺。因此在实际生产变压器当中需要注意以下几点：

（1）非晶合金材料具有较低的饱和磁密，进行设计过程中，变压器的额定磁密应当根据材料自身的磁密，为尽可能降低空载损耗值，磁密值一般选取1.3～1.35T。

（2）非晶合金材料厚度为 0.03mm，其叠片系数一般在82～86%。

（3）为了减少维护，变压器一般设计为全密闭。

（4）考虑到非晶合金片材料的硬度高，设计变压器时减少剪切非晶合金材料的次数。

（5）由于非晶合金敏感于机械应力。设计传感器时，应抛弃传统的以铁芯作为主要承重结构的方式。

（6）非晶合金铁芯片进行退火处理，以获得更好的低损耗。

（7）制作非晶合金变压器过程中，不能将非晶合金片压缩的过紧，否则将会使变压器在使用过程中噪音增大。

2.2非晶合金变压器技术性能

三相四框五柱式结构是非晶合金变压器常用的结构形式，为了减少谐波对电网可能造成的影响，提高电网的供电质量，联结组一般使用Dyn11。由于在三相负荷不平衡的情况下会导致三相电压失衡等严重后果，因此三相四框五柱式结构禁止使用Yyn0联结方式。

变压器的损耗来源主要有两个，一个是变压器的铁芯，引起铁损耗。一个是线圈中含有的阻抗，引起铜损耗。

2.2.1非晶合金变压器铜损耗

变压器的线圈使用的材料为绝缘铜线，由于铜导线当中存在电阻，通电时就电阻的存在会产生热量，降低变压器的工作效率。铜损耗的大小取决于铜材料的选择以及变压器的制造工艺。

2.2.2非晶合金变压器铁损耗

变压器中由于铁芯引起的铁损耗包括两部分，涡流损耗以及磁滞损耗。交流电通过变压器时，由线圈感应产生的磁力线会变化，不断变化的磁力线会导致铁芯内部出现摩擦，产生能量损耗，该损耗即为磁滞损耗。

由电磁感应规律，由于铁芯也为导体，因此变压器工作过程中磁力线的存在会使得铁芯出现感应电流，该电流会自动闭合形成旋转状的环流，因此被称作涡流，由涡流产生的能量消耗称为涡流损失。

变压器的磁滞损耗与磁滞回路包含在内的面积成正相关，与冷轧硅钢片相比，非晶合金的矫顽力约是后者的1/7，它所包含的面积较小，因此从磁滞损耗方面来讲，非晶合金变压器的损耗能够大大降低。涡流损耗与铁芯材料以及电阻率有关。铁芯材料越厚涡流损耗越大，而电阻率成反相关。非晶合金材料具有较薄的厚度，且与冷轧硅钢片相比，电阻率能达到后者的3倍，因此，将非晶合金应用到变压器的制作上，能够极大的降低由铁芯引起的涡流损耗。

目前广泛采用的S11型变压器，其铁心所采用的导磁材料通常为30Z140高导磁冷轧硅钢片，其饱和磁密比非晶合金高，产品设计时所选取的磁通密度通常在1.65～1.75T之间。这也就是非晶合金铁心变压器比S11型变压器空载损耗低的一个主要原因。表1为三相非晶合金铁心变压器与S11型变压器空载损耗值的比较。

表1　SH15型非晶合金和S11型变压器空载损耗值对比表

从表1中的统计数据可以看出，通过采用非晶合金材料，变压器的空载损耗降低了70～80%。相比传统硅钢片铁芯变压器，空载损耗大幅降低，是目前非常理想的低损耗节能变压器。由于损耗低，非晶合金变压器发热少、温升低，运行性能非常稳定。

2.2.3非晶合金变压器有功损耗率

变压器的有功损耗率是指变压器在运行过程中有功的损耗功率与总有功功率的比值。变压器的有功损耗率受到多个因素影响，其中最主要的三个因素分别为负载率、功率因数以及变压器的主要技术性能参数。

非晶合金变压器的有功损耗为功率可以按照下式进行计算：

有功功率损耗率为：

式中：P0——空载损耗；

Pk——负载损耗；

Kt——负载波动损耗系数，一般取1.05；

β——平均负载率；

SN——变压器额定容量；

cosθ——平均功率因数。

3　站用变选型

3.1站用变压器选择

以上海碧海220kV变电站为例，选用2台容量为200kVA的35kV站用变压。远期负荷最大时，站用变压器的负载率约为50%，如考虑负荷的运行方式，站用变压器的负载率将更低，可见站用变压器的负载率较低，选择空载损耗低的非晶合金变压器作为站用变将具有很明显的优势。

站用电接线为单母线分段接线，两段母线分列运行。一类负荷分别接到两段母线上，不重要的负荷可以接至单段母线，每台变压器容量均大于全站所有负荷容量之和。站用电接线原理图如图2所示。

图2　站用电接线图

正常运行状开态下，两段母线分列运行。在#1站用变出现故障时，1CB断。此时合上分段开关LCB，由#2站用变接故障段母线运行。#1站用变故障排除后，合上1CB，并断开LCB，站用变恢复正常运行。

3.2非晶合金变压器经济效益分析

选用非晶合金变压器作为站用变，与S11型硅钢片变压器相比，其年节约电能量是相当可观的。容量为200kVA的非晶合金35kV变压器空载损耗P0=130W，S11型硅钢片变压器空载损耗为P0′=440W。由于两种变压器的负载损耗是一样的，所以在运行状态时，相比之下非晶合金变压器降低有功功率损耗P0′-P0=310W。则一台非晶合金变压器每年可减少的电能损耗为：W0′-W0=8760×（P0′-P0）=2715.6kWh。

若按0.6元/度电价测算，则每台非晶合金变压器全年可节约电费约为1629.36元/年。

目前35kV的200kVA非晶合金变压器和同规格硅钢片变压器价格分别约为42000元和32000元，两者价格比为1.3倍，计算后可以得出，大约需要5年，通过节约电能，即可收回每台非晶合金变压器与硅钢片变压器之间的差价。而一台变压器在正常运行条件下的使用寿命可达40年左右，其后的40年可节约电费为65174元。本站采用的两台站用变共可节约130348元。

综合以上分析可以得出，从全寿命周期来看，采用非晶合金变压器的优势很明显；同时，由于其损耗降低，减少了散热，从而延长了变压器的使用寿命，为用户节约了维护和检修费用。可见，非晶合金变压器的综合效益十分明显。