江蘇電網非晶合金變壓器綜合評估

吳 鵬，陸云才，陳銘明，蔚 超，吳益明

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

20世紀80年代，美國通用電氣公司（GE）、美國電力研究院 （EPRI）和帝國電力研究公司（ES-EERCO）聯合研制了非晶合金變壓器（AMT）。我國于“七·五”中期開始非晶合金變壓器的研制工作，1995年掛網試運行。2011年8月，為響應國家節(jié)能減排號召，切實降低配網損耗，國家電網公司推廣采用節(jié)能型變壓器，推廣應用S13以上型號節(jié)能型變壓器（不低于25%），農村和純居民供電配電變壓器優(yōu)先采用調容變壓器（不低于10%）和非晶合金變壓器（不低于15%）。非晶合金變壓器以其顯著的節(jié)能效果成為配網節(jié)能減排改造和建設的主力之一[1，2]。江蘇電網內首臺非晶合金變壓器于2000年投運，截至2012年7月，江蘇省電力公司所屬10 kV非晶合金變壓器共78 699臺，占配電變壓器總臺數的12.7%；油浸式變壓器占非晶變總量的99.5%，型號以SBH11，SBH15，SBH16型為主，其中SBH15，SBH16型變壓器占非晶變總量的65%。為對非晶合金變壓器的選用提供參考，從經濟性能、安全性能、環(huán)境影響方面等對非晶合金變壓器進行綜合評估。

1 非晶合金變壓器技術特點

用于變壓器鐵心材料的非晶合金主要以鐵、鎳、鈷等金屬為合金基，并加入少量的硼、硅等元素所制成的合金，具有良好的鐵磁性。非晶態(tài)合金薄帶的制造工藝與傳統的硅鋼片制造工藝有很大不同，硅鋼片的制造過程需經過練、軋等多道工序；而非晶合金材料是以非?？斓乃俣扔梢后w冷卻凝固成0.027 mm左右厚的合金薄帶，此工藝比常規(guī)硅鋼片成材工藝節(jié)省了6～8道工序，節(jié)省能耗80%左右。另外，晶粒取向的硅鋼片成材率低，僅40%～50%左右，而非晶合金成材率可達90%。非晶合金薄帶材具有優(yōu)異的軟磁性能、硬度高、耐蝕性能好等特點。但因受噴出冷卻成型的工藝所限，帶材寬度僅為213 mm，所以目前還不能制造高電壓、大容量變壓器鐵心[3]。非金屬與硅鋼性能比較[4]如表1和圖1所示。

表1 非晶合金與硅鋼主要物理性能比較

非晶合金變壓器主要特點有[5，6]：（1）非晶合金沒有晶格和晶界存在，因此，其磁化功率小，并具有良好的溫度穩(wěn)定性；（2）非晶合金帶材的厚度為0.02～0.03 mm，是硅鋼片的1/10左右，電阻率是冷軋硅鋼片的3倍左右，因此，其渦流損耗很??；（3）非晶合金的硬度是硅鋼片的5倍，加工剪切比較困難；（4）非晶合金對機械應力非常敏感，無論是拉應力還是彎曲應力都會影響其磁性能，在變壓器結構設計時需采取特殊的緊固措施，以減少鐵心受力，應避免采用以鐵心作為主支承重的結構設計方案；（5）非晶合金的磁致伸縮度比硅鋼片高10%以上，因此不宜過度夾緊，這將直接增加變壓器的噪聲；（6）非晶合金的矯頑力小于4 A/m，是冷軋硅鋼片的1/7左右，其磁滯回線所包絡的面積遠遠小于冷軋硅鋼片，因此非晶合金的磁滯損耗比冷軋硅鋼片的也小很多。

可見，采用非晶合金取代硅鋼片制造變壓器雖工藝略復雜，但可使空載損耗和空載電流大幅下降[7-10]，非晶合金變壓器SBH15，SHB16系統空載損耗與傳統S9，S11，S13配變比較如表2所示。

表2 非晶系列變壓器與傳統型配變空載損耗

通過對江蘇電網內非晶合金變壓器和傳統變壓器進行抽檢試驗，SBH15-200 kV·A非晶合金配變空載損耗平均值為110.7 W，相同容量的S11型常規(guī)配變空載損耗平均值為332.5 W，SBH15-200型非晶合金配變空載損耗比S11-200型常規(guī)配變要低66.7%，負載損耗接近；SBH15-400 kV·A非晶合金配變空載損耗平均值177.5 W，相同容量的S11型常規(guī)配變空載損耗平均值為576 W，SBH15-400型非晶合金配變空載損耗比同容量S11-400型常規(guī)配變要低69.2%，負載損耗接近。以上實驗室測試結果驗證了非晶合金低空載損耗特性。

2 非晶合金變壓器綜合評估

2.1 安全性能評估

2.1.1 過載能力

變壓器過載能力與線圈的導線電流密度選取、絕緣材料耐熱和有效散熱面積等因素有關，與鐵心材料沒有直接聯系。當油浸式變壓器的絕緣材料選用耐熱等級高的，則過載能力也會增強，例如高壓線圈導線采用漆包線，過載能力將高于選用紙包線的變壓器。

變壓器掛網運行后，負載率是一個動態(tài)參數，隨時變化的，當負載率超過100%時，變壓器處于過負載狀態(tài)。油浸式變壓器的過負載能力應符合GB/T1094.7，非晶合金變壓器同樣需滿足上述標準，起始負荷80%，環(huán)境溫度40℃下，過負荷電流倍數為1.5時可持續(xù)運行2 h，其熱點溫度不超過140℃。另外，部分變壓器廠家保證其非晶合金變壓器可在120%負載下長期安全運行。

以上均是理論計算或分析，因非晶合金變壓器實際過負載時間與環(huán)境溫度、初始負載率、過負載要求、鐵心及繞組內部真實熱點溫升限制等因素有關。目前國內并無廠家做過相關過載試驗研究，特別是非晶合金變壓器內部溫升實測。當用戶有特殊過載要求時，制造企業(yè)僅從設計角度保證其過載滿足要求。

非晶合金變壓器由于采用全密封結構，漏磁損耗、渦流損耗導致的熱點溫升問題較為顯著，同時廠家對自己產品的實際過負荷能力不夠了解。很多負荷特性變化較大的地區(qū)（如農忙或抗旱期間，農網負荷驟增，及夏天持續(xù)高溫，城市空調負荷猛增），易出現變壓器長時過載的現象，容易造成非晶合金變壓器損壞。在前期投運的非晶合金變壓器中有少量出現燒損現象，經總結分析發(fā)現設備過負荷能力不強，短時超載變壓器就有可能燒損（經統計2006年至2007年，非晶合金變壓器故障以過負荷損壞居多，全省共有12臺非晶變發(fā)生過負荷損壞故障）。隨后，江蘇電網采取了一系列措施，加強了對此類設備的運行管理工作，適當控制非晶合金變壓器的使用范圍，并嚴格控制負荷水平，對負荷超過80%的非晶變，及時進行增容改造，確保不發(fā)生因過負荷燒毀變壓器，目前總體運行狀況良好。非晶合金變壓器近3年故障率分別為0.24%，0.27%，0.22%，與常規(guī)變壓器近3年故障率0.24%，0.25%，0.21%接近，充分反映了采取一系列措施后，非晶合金變壓器故障率得到了有效控制。

由于變壓器過載多數只是屬于短期（每年4～5 d）、短時（每天1～2 h）現象，為避免短時過載，非晶合金變壓器必須在負荷接近時立即進行增容改造。江蘇目前重載的配電變壓器（最高負荷超80%）有8萬臺，如果大量應用非晶合金設備，安全運行壓力較大。

綜合以上因素，需從不同角度深入研究非晶合金鐵心變壓器的運行，包括使用壽命的加速老化、現場運行及空載特性穩(wěn)定性試驗、熱點溫升及過負荷能力等，提高非晶合金變壓器安全運行的可靠性。

2.1.2 過勵磁能力

過勵磁是指變壓器鐵心工作磁密超過鐵心的飽和磁感應強，原因有多種：電磁計算時鐵心的工作磁密取值偏高、變壓器運行時電網出現過電壓等。無論非晶合金變壓器還是傳統硅鋼變壓器，原則上都不允許長時間過電壓運行。因此，非晶合金變壓器在電磁計算時工作磁密取值在1.25～1.35 T，與非晶合金帶材的飽和磁感應強度1.55 T比，理論上留有足夠的裕度。

然而部分運行情況顯示，非晶合金變壓器在電網存在過電壓時，空負載損耗急劇增加，鐵心會產生不可逆的形變，長期運行后造成使用壽命降低及產生的噪聲變大。此類問題在農網無功補償不足導致電壓波動和閃變地區(qū)較為嚴重，非晶合金過勵磁能力還有待進一步深入研究分析。

2.2 經濟性能評估

2.2.1 節(jié)能效果

變壓器的有功損耗是由空載損耗和負載損耗組成，一般國家標準或企業(yè)標準上所標注的變壓器的負載損耗保證值是指當變壓器流通額定電流時所汲取的有功功率，但是變壓器在實行運行時，線圈上流通電流并不是一成不變的，是根據實際情況有波動的，即形成負載波峰或波谷等情況，因此評估變壓器有功損耗需考慮實際負載率。

空載損耗不會隨年平均負載率變化而變化，對某臺變壓器運行在額定電壓情況下是一個恒定值；實際負載損耗是隨著年平均負載率變化而變化；在低年平均負載率情況下，由于SBH15型非晶配變具有超低空載損耗的優(yōu)點，從而其總損耗遠低于S11型硅鋼配變?，F將年平均負載率30%，50%，60%情況下SBH15和S11的實際負載損耗、有功損耗比較如表3所示。

表3 500 kV·A額定容量SBH15和S11低負載率下損耗比較

從表2中可以看出，當年平均負載率為30%時，S11型硅鋼配變的有功損耗是SBH15型非晶配變的1.6倍還多，當年平均負載率為50%時，SBH15型非晶配變的有功損耗比S11型硅鋼配變降低22.4%，所以在低負載率的情況下，通過非晶合金變壓器降低空載損耗，從而大幅度降低變壓器的總損耗。

2.2.2 運行效率高

500 kV·A容量SBH15，SBH16非晶配變及S9，S11型硅鋼配變4種產品在負載率從0到150%范圍內的運行效率如圖2所示。

從圖2可以看出，在負載率從0到150%范圍內，SBH15，SBH16型非晶配變的效率均高于S9，S11型硅鋼變壓器，在負載率低的區(qū)域，更能體現非晶配變的高效率的優(yōu)勢。與S13立體卷鐵心硅鋼配變相比，也是同樣的情況。

2.2.3 降低電網線損

截至2007年底，國家電網公司農電系統綜合線損率為7.06%，10 kV線損率為4.90%，農網10 kV配變中S7及以前型號高耗能變壓器比例約為30%。據統計，農網平均用電負載率在25%左右，部分欠發(fā)達地區(qū)甚至在10%左右，配電變壓器的空載損耗成為電能損耗主要部分。我國配電網損耗情況與歐洲相比[11]，還存在很大差距，具體如表4所示。

表4 配電網損耗情況對比

由表4可以看出，我國配電網損耗占全網損耗的70%，成為整個電網損耗的主要部分。配電變壓器損耗占配電網損耗的30%～70%，成為配電網損耗的主要部分。配電變壓器空載損耗又占配電變壓器總損耗的50%～80%，可見降低配電變壓器空載損耗，是降低配電網損耗的重要途徑之一。江蘇部分供電公司采用非晶配變后線損均有不同幅度的降低，降低幅度最大高達25%。

2.2.4 初購置成本較高但全壽命周期成本較低

2007年之前，非晶合金變壓器設備成本相對較高，價格約是同等級S11配變的1.5倍，其主要原因是非晶合金鐵心加工困難，工藝復雜，在一定程度上增加了工程建設成本。隨著國家節(jié)能降耗和低碳經濟政策的進一步推進，非晶合金變壓器需求不斷增長，非晶合金變壓器市場的進入者增多，市場競爭加劇，非晶合金變壓器的招標價格下行，近年來價格已降至同等級S11配變的1.3倍左右。由于其節(jié)能效果顯著，運營成本較低，所以其綜合成本較傳統變壓器低。

非晶合金變壓器主要的節(jié)能優(yōu)勢還是體現在空載或者平均負荷率低于50%運行狀態(tài)。目前江蘇運行的變壓器基本沒有長期空載運行的，輕載狀態(tài)的也很少，節(jié)能特性體現不明顯，靠節(jié)能特性收回投資成本的周期較長，運行中為避免長時過載，非晶合金變壓器必須在負荷接近時立即進行增容改造，考慮全省負荷隨經濟增長趨勢，非晶合金變壓器平均運行10年到15年即需要增容改造或故障更換，很多地區(qū)非晶合金變壓器無法持續(xù)運行到總體節(jié)約成本的運行年限，因此目前節(jié)約成效并不明顯。

2.3 環(huán)境影響評估

影響非晶合金變壓器噪音的因素主要有非晶鐵心材料的磁致伸縮系數、非晶鐵心技術參數、器身裝配工藝、模具、裝備等因素。與器身結構也有一定關系，例如非晶鐵心的結構和重量、夾件結構、器身固定的方式等。鐵心片的磁滯伸縮現象是產生變壓器噪聲的主要原因，這與鐵心的尺寸和磁通密度存在密切關系。在同一磁通密度下的磁滯伸縮程度，非晶合金的這一指標比傳統晶粒取向冷軋硅鋼片高約10%。但是，冷軋硅鋼片的飽和磁通密度較高，約為2.03 T，而非晶合金的飽和磁通密度較低，約為1.5 T。因為非晶合金鐵心變壓器的額定工作磁通密度（1.25～1.35 T）要比冷軋硅鋼片鐵心變壓器的額定工作磁通密度（1.63～1.73 T）要低得多，所以二者實際的磁滯伸縮是接近的。但是，非晶合金鐵心變壓器與同規(guī)格傳統鐵心的變壓器相比，鐵心質量大40%左右，有效截面積大50%以上，這在一定程度上會使變壓器噪聲增大。

鐵心結構也間接影響變壓器噪聲，通過改進鐵心結構，有效降低磁通密度，控制不對稱諧波影響。目前國內大多數非晶合金生產廠家采用4個框合并成類似三相五柱式有交錯鐵軛接縫的結構，此結構性能穩(wěn)定可靠，但存在磁通分布不對稱現象，部分廠家在經過磁通密度改進工藝之后，有效降低了變壓器噪音5～10 dB。同時有廠家研究出三相三柱結構的立式非晶合金變壓器，在磁通密度控制上更加穩(wěn)定，性能更佳。

如果不能有效掌握非晶鐵心的處理工藝，非晶合金變壓器的噪音明顯高于硅鋼變壓器。如何選取合理的熱處理工藝，也直接影響非晶合金變壓器的噪音水平。目前某些企業(yè)掌握了該工藝，再加上其他降噪措施，如在非晶合金變壓器外殼加設防音壁或振動傳播性能甚小的遮音鋼板，在鐵心搭接部位使用多層絕緣吸音膠，在框式夾件與鐵心的接觸面上用多層高密度創(chuàng)新吸音材料，使非晶合金鐵心很好地固定，且富有彈性，也能有效地控制非晶合金的噪音。采取這些降噪措施，容量為500 kV·A的非晶合金變壓器的噪音可控制在45 dB以內，但大多數企業(yè)并不能在設計、工藝、制造、使用過程中真正控制變壓器的噪聲水平，行業(yè)標準[12]中也未明確規(guī)定非晶合金變壓器的聲級限值，僅提出非晶合金鐵心變壓器的聲級限值由制造單位與用戶協商確定。目前江蘇入網非晶合金變壓器技術規(guī)范中一般規(guī)定非晶合金變壓器噪音（2 m）不超過55 dB。在實驗室對同容量非晶合金配變與常規(guī)S11配變可聽噪聲進行測試，結果如表5所示。

表5 同容量非晶合金配變與常規(guī)S11配變空載噪聲對比 d B

實驗室聲級測量顯示，非晶合金變壓器空載運行時，噪音比普通油浸式變壓器略高2～3 dB，當負荷電流達到額定電流的70%時，噪音明顯增大，相對同容量、同規(guī)格的普通油浸式配電變壓器高出5～8 dB。負荷越大，鐵心振動幅值越大，變壓器的噪聲與變壓器的振動狀況基本保持一致。目前江蘇省各市公司已接到多起非晶合金變壓器噪音投訴，解決效果不是很理想。為避免此類問題，一般在居住密集地區(qū)內不建議使用非晶合金變壓器。

3 建議

3.1 因地制宜選用

由于非晶合金變壓器存在過負荷能力不強、噪音水平高等問題，選用時應因地制宜。

（1）對于配網建設資金緊缺的地區(qū)，原則上不推薦使用非晶合金變壓器；

（2）在負荷增長較快的區(qū)域（如城鄉(xiāng)結合部）、高峰時配變負荷率超過70%的區(qū)域以及負荷特性變化較大的地區(qū)，原則上不推薦使用非晶合金變壓器；

（3）在負荷率偏低，對噪音要求不高，不會出現重載、超載的發(fā)展穩(wěn)定的區(qū)域，可適當選用非晶合金變壓器，突出降損效果；

（4）在年均負載率小于30%的情況下，可以采用非晶合金變壓器（亦可選用低容量的常規(guī)變壓器節(jié)約成本）；

（5）局部地區(qū)為滿足節(jié)能減排要求，可選用S13新型卷鐵心結構節(jié)能變壓器。

3.2 有效降低造價

建議生產廠商逐步提高生產能力和生產效率，在確保生產質量的前提下，有效降低設備成本，控制設備造價，為進一步推廣應用提供支持。

3.3 改善產品性能

建議生產廠商對變壓器負載能力不強、噪音較大問題進行專題研究，不斷改進生產制造工藝，改善產品的性能，提高過負荷能力及抗突發(fā)短路能力，降低噪音。建議采購協議中增加對非晶合金變壓器過負荷能力考核的要求。

3.4 加強運維管理

建立非晶變專項記錄，含出廠、投運、使用三方面；針對低載時內部故障情況，組織專項開箱檢查，查明故障性質及原因，避免因運輸、安裝過程中導致非晶合金變壓器損壞。

3.5 增加關鍵點見證，提高入網抽檢率

非晶合金變壓器對非晶帶材的質量要求非常高，涉及鐵心沖剪、疊裝、固定成型、磁場熱處理、冷卻、涂膠、鐵心緊固等眾多生產環(huán)節(jié)，需對生產制造的多個環(huán)節(jié)加強關鍵點見證，著重考察制造廠生產管理、工藝流程，尤其是鐵心緊固措施。對涉及變壓器運行的關鍵參數損耗性能及噪聲水平，加強抽檢，提高入網抽檢率。

4 結束語

非晶合金變壓器因其低空載損耗特性是配變發(fā)展的方向，從安全性能、經濟性能、環(huán)保影響等三方面對其進行綜合評估：安全性能方面存在過載能力差、過勵磁能力差的現狀，需要廠家改進設計，減小非晶變溫升，將工作磁密設計在合理范圍內；經濟性能方面能夠節(jié)省能源、提高配變的運行效率、降低電網線損；環(huán)境影響方面其可聽噪聲比傳統配變稍大，需要生產非晶變壓器的廠家扎實掌握非晶變鐵心的處理工藝，加強入網抽檢力度。

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