非晶合金铁心配电变压器的分析

陈玉国
（山东达驰电气股份有限公司，山东省 成武市 274200）

摘要： 分析非晶合金配电变压器的铁心结构、空载损耗、噪声、抗短路能力、技术经济性等问题。文章认为，非晶合金配电变压器节能效果显著，经济性好、应推广应用。文章还建议采用外国的一些优惠政策，以鼓励发展，推广我国的非晶合金配电变压器；应尽快采取措施，着力解决一些地方存在的招投标不规范和地方保护的问题，杜绝劣质产品混入电网。

关键词： 配用电系统；变压器；非晶合金铁心变压器；空载损耗；噪声；抗短路能力 　　

0　 引言

　　我国自1998年开始进行大规模城乡电网建设与改造以来，采取推行S9型节能配电变压器、停止生产S7型和淘汰电网中“64”和“73”系列高耗能变压器等措施，对降低电网线损起到了积极作用。据统计，全国线损率从1996年的8.52％下降到2004年的7.59％。但与先进国家相比仍高出1.5～2个百分点，相当于每年多损耗150亿～200亿kWh电量。可见降耗任务很重，潜力也相当大。国家发展和改革委员会与科技部于2005年共同组织起草了《中国节能技术政策大纲》（征求意见稿），明确指出：“推广生产和应用S11型及非晶合金铁心型低损耗变压器、低能耗导线、金具等节能型配电设备及附件。2010年前，淘汰电网在役的S7型及‘73’、‘64’型高耗能变压器设备”。非晶合金配电变压器作为节能效果十分明显的配电技术和设备，近年正逐渐地被制造厂和广大用户所接受。

1 　非晶合金铁心

　　（1） 非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.025mm，不到常用硅钢片的1/10；叠片系数较低，只有0.86；带材有142、170、213mm 3种宽度。

　　（2） 非晶合金的饱和磁通密度较低，单相变压器一般取1.3～1.4T，三相变压器一般取1.25～1.35T，因此，产品设计受到材料的限制。

　　（3） 非晶合金的硬度较大，是取向硅钢片的5倍，因此，加工剪切很困难，对设备、刀具要求较高。一般是对边缘剪切处进行加温从而获得良好的剪切面，心柱由同一宽度的非晶合金带卷制而成，故铁心截面呈长方形，相应的高、低压绕组均为矩形。

　　（4） 非晶合金在成材过程中急速冷却和卷绕铁心时会产生应力，为了获得良好的损耗特性，非晶合金铁心成型后必须在一定的磁场条件下进行退火处理。其退火工艺比较复杂，要求较高。

　　（5） 非晶合金铁心材料退火之后的脆性（易产生碎屑）也是设计制造时需关注的问题，需要采取一定的工艺措施。

　　（6） 非晶合金铁心材料对机械应力非常敏感，无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能，所以，铁心的损耗会随着压力的增大而增加。这需要在器身结构设计方案中予以充分考虑。

　　（7） 单相非晶合金铁心变压器的铁心结构一般为“框”形，如图1所示；三相变压器的结构则由4个“框”合并成类似的三相五柱式结构，如图2所示；容量较大时，则采用8个铁心框叠放在一起的结构。

图1 单相非晶合金铁心结构示意图

图2 三相非晶合金铁心结构示意图

2　 非晶合金铁心变压器运行后的空载损耗

　　非晶合金片磁滞损耗和涡流损耗都明显低于取向硅钢片，因此非晶合金铁心配电变压器的空载损耗只有S11型配电变压器空载损耗的40％，甚至更少［1］。但也有人认为，运行后的非晶合金铁心变压器的空载损耗会呈增加趋势。

　　此问题早在开发非晶合金变压器期间已经有所考虑。1982年，第一台非晶合金铁心变压器在美国挂网运行；1983年，美国电力研究院（EPRI）、GE公司及纽约州电力公司曾考虑到了这一问题，并于1985年，将已制成的1
000台25、15kVA柱上变压器送到90个EPRI成员单位进行为期2年的现场试验。现场试验的测试数据表明，运行2年后其空载电流和空载损耗与交付试验时的极为接近［1］。

　　日本东京电力公司、Takao电气公司和日立电气公司对非晶合金变压器的长期可靠性做了深入细致地研究。他们从1991年起对不同容量的200台非晶变压器进行了加速老化、现场运行、短路、冲击等试验，还进行了负荷和振动对变压器空载特性的影响测试。研究结果表明，在30年寿命期内，其空载特性是稳定的，运行是可靠的［2］。

　　我国对此问题亦有研究。1995年，作为非晶合金配电变压器试运行单位的甘肃省天水市北道区电力局，根据冶金部、电力部关于攻关试验项目试验测试的规定要求，对10台挂网运行2个月的非晶合金变压器进行了测试，测试结果与运行前的测试值是相一致的［3］。

　　铁心材料被制作成形铁心后已经过了约400℃高温的退火处理，这对于正常运行温度、短路热稳定温度都已是足够高的了，所以不必担心材质会在30年寿命期内因温度而发生变化。因此，非晶合金变压器不存在空载损耗在运行中会有所增加的可能。

3 　非晶合金变压器噪声

　　研究表明，铁心片的磁滞伸缩现象是产生变压器噪声的主要原因，这与铁心的尺寸和磁通密度有关系。在同一磁通密度下的磁滞伸缩程度，非晶合金的这一指标比传统晶粒取向冷轧硅钢片高约10%。但是，冷轧硅钢片的饱和磁通密度较高，约为2.03T，而非晶合金的饱和磁通密度较低，约为1.5T。因为非晶合金铁心变压器的额定工作磁通密度（1.25～1.35T）要比冷轧硅钢片铁心变压器的额定工作磁通密度（1.63～1.73T）低得多，因而二者的实际磁滞伸缩是接近的。

　　但是，非晶合金铁心变压器与同规格传统铁心变压器相比，其铁心质量大40%左右，有效截面积大50％以上，这在一定程度上会使变压器噪声增大。

　　另外，铁心自身结构和制造工艺对噪声也有一定的影响。非晶合金铁心表面涂覆有环氧树脂，如果树脂涂覆不好或由于树脂质量差或调配比例不当而引起树脂脱落，或者接缝叠装不整齐等都会增加变压器噪声。因此在产品设计中有必要对铁心和器身采取接缝涂漆、加消音垫等减振措施。