淺議非晶合金干式變壓器幾個關(guān)鍵問題

郭偉　李洪偉

摘 要：變壓器在輸電和變電過程中的損耗非常大，約占整個配電網(wǎng)損耗的一半，甚至有時還會高出一半。非晶合金變壓器的誕生，使得這種損耗得以被大幅度降低，同時更是提高了輸變電的效率。該文以非晶合金材質(zhì)的干式變壓器作為切入點，探討它的特性、工藝、原理等多個關(guān)鍵性問題。

關(guān)鍵詞：非晶合金 干式變壓器 噪聲控制 節(jié)能經(jīng)濟(jì)

中圖分類號：TM412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0098-01

我國是能源消耗大國，無論是電能還是石油能源，還有許多其他資源，每日都被大量消耗著。為此，國家制定了節(jié)能環(huán)保政策，并出臺了一系列措施。傳統(tǒng)的變壓器因其材質(zhì)和工藝問題，會在輸變電過程中發(fā)生嚴(yán)重的損耗。為此，國家在不斷的探索中發(fā)現(xiàn)了一種新式變壓器——非晶合金材質(zhì)的變壓器，這種變壓器可以通過金屬與非金屬元素的混合，使得“鐵芯”具有更低的損耗率和磁滯率，這是一般變壓器所無法媲美的優(yōu)越性。當(dāng)前，我國發(fā)改委已經(jīng)將其列為重點推廣產(chǎn)品。

1 非晶合金變壓器中的干式變壓器

非晶合金變壓器與傳統(tǒng)變壓器一樣分為干、油兩種。由于該文以干式為研究對象，因此在此處就不花費篇幅對油浸式進(jìn)行過多描寫。非晶合金材質(zhì)的干式變壓器，其型式有兩種，分別為環(huán)氧澆注式及敞開式，其中尤以前者適用范圍更加廣泛。環(huán)氧澆注型的非晶變壓器，因其“鐵芯”的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)與一般變壓器不同，因此造成二者在性能上也有了非常大的差異。究其結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，非晶變壓器的“鐵芯”其截面為矩形，多為三相四框五柱形態(tài)，由箔繞式的低壓繞組、線繞式的高壓繞組組成，并使用環(huán)氧樹脂將其澆筑為矩形結(jié)構(gòu)[1]。非晶干式變壓器具有非常高的優(yōu)越性，不但與傳統(tǒng)干式變壓器一樣難燃、阻燃，還具有非常高的穩(wěn)定性，且不必經(jīng)常維護(hù)，可以說非常節(jié)能經(jīng)濟(jì)。而非晶干式變壓器極少的缺點之一，就是噪聲問題，也可以利用工藝進(jìn)行解決。

2 非晶變壓器在節(jié)能經(jīng)濟(jì)性上的具體體現(xiàn)

傳統(tǒng)干式變壓器的“鐵芯”材料是硅鋼，這種材料使得傳統(tǒng)干式變壓器在空載時產(chǎn)生了極大的損耗，大大地浪費了電能。而使用了非晶合金這種新式材料后，非晶變壓器可以使空載電流大幅度降低，使節(jié)能效果上升了近80%。比較節(jié)能效果，是當(dāng)前最為理想的配電變壓器之一[2]。眾所周知，變壓器的有效周期壽命大約在三十年，在使用周期中，其運行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于制造成本，而運行成本中，占據(jù)比例最大的就是能耗，即空載損耗和負(fù)載損耗。非晶合金變壓器的使用，使得電力的利用率更高、能源被節(jié)約，運行成本得以顯著下降，帶來了更高的經(jīng)濟(jì)效益。

我國多為火力發(fā)電，煤炭與石油在使用過程中造成了極大的污染。而非晶變壓器的投入使用，使得二氧化碳、二氧化硫等氣體的排放大大減少，社會效益與生態(tài)效益都有了明顯的提高。尤其是農(nóng)村及經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這種節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性就體現(xiàn)的更加明顯了。

3 非晶變壓器的特性

若要分析非晶干式變壓器的特性，則要首先了解非晶合金材料的特性。通過研究，我們發(fā)現(xiàn)非晶合金是一種性質(zhì)比較特殊的軟磁材料，它由金屬和非金屬元素構(gòu)成，按照一定比例在熔融狀態(tài)下進(jìn)行超速冷卻而產(chǎn)生的帶狀金屬。對比冷軋工藝下生產(chǎn)的硅鋼材料，可以發(fā)現(xiàn)非晶合金材料的性能在如下幾個方面具有極高的優(yōu)越性[3]：第一，非晶合金具有各向均同性的特點；第二，3微米的超薄厚度，具有非常低的填充系數(shù)；第三，同單位的非晶合金與硅鋼相比，前者損耗率僅為后者的三分之一；第四，非晶合金具有較高的電阻率，渦流損耗非常低；第五，節(jié)能環(huán)保無污染，工藝簡單。以上五個優(yōu)點使得以非晶合金材料作為“鐵芯”的新型干式變壓器也擁有了這些優(yōu)點，不但節(jié)能環(huán)保，性能也是更加優(yōu)越。

非晶合金材料除了上述五項優(yōu)點，還有其他特征，如硬度大難以切割、處理時必須進(jìn)行退火操作、性脆易碎以及容易受到機械應(yīng)力的影響而無法正常發(fā)揮性能等。對此，只好從工藝和設(shè)計方面進(jìn)行改進(jìn)。

4 非晶合金干式變壓器的電磁設(shè)計

非晶合金變壓器與傳統(tǒng)硅鋼變壓器沒有明顯的不同，主要的區(qū)別就是前文所提到的截面的形狀是矩形開口卷狀。非晶變壓器的“鐵芯”結(jié)構(gòu)有三相三柱與三相五柱兩類，其中三相五柱的性能更好。

5 非晶合金干式變壓器的噪聲控制

非晶變壓器的“鐵芯”會在使用中發(fā)生磁致伸縮，從而產(chǎn)生噪聲。而非晶合金材料的性質(zhì)決定了非晶變壓器會對機械的應(yīng)力極其敏感，一旦受到外力，磁致伸縮的結(jié)果要比硅鋼高十分之一，進(jìn)而噪聲也會更大。因此，在設(shè)計時，應(yīng)該注重設(shè)計“鐵芯”的抗力，以免對其磁性能造成嚴(yán)重影響。由于JB/T行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)無法適用于非晶變壓器的噪聲規(guī)定，因此，非晶變壓器的最大聲級限值只能由制造商及使用者進(jìn)行商討來確定真正適合的數(shù)值。目前，按照來自市場與用戶的反饋，可以確定，2 500千伏安之下的非晶變壓器，其聲級限值不得超過65dB。

5.1 參數(shù)設(shè)計

（1）磁通密度。

非晶合金變壓器的噪聲控制，要設(shè)置許多參數(shù)，磁通密度就是其中之一。根據(jù)現(xiàn)有研究成果可知，非晶合金材料其磁通密度的飽和限度約為1.5T，而硅鋼比非晶高0.5T。若要使二者的磁致伸縮程度不相上下，則要保證非晶合金變壓器在工作狀態(tài)的磁通密度更低，即增加非晶合金變壓器的截面面積、降低了“鐵芯”的質(zhì)量。這樣做盡管在一定程度上會增加噪聲，但增加結(jié)果依然符合國家制定的關(guān)于變壓器的噪聲要求[4]。一般來說，在企業(yè)自身工藝水平能夠達(dá)到的前提下，保證非晶變壓器工作狀態(tài)下的磁通密度不得超過1.25T。

（2）磁化容量。

若要降低噪聲，可以將“鐵芯”按照單位進(jìn)行磁化容量的降低。鑒于磁化容量與損耗相互制約，因此，要采用特殊的工藝來使單位磁化容量降低。即，在不影響空載損耗情況的同時，將損耗掉的性能變?yōu)榇呕阅?。而這個工藝的系數(shù)，要經(jīng)過一點點的試驗才能找到。

5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

借助專門的分析軟件為非晶變壓器進(jìn)行錄入數(shù)據(jù)、建立模型操作，計算出其振動模態(tài)及升學(xué)模態(tài)的共振頻率，然后針對這兩項進(jìn)行針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以降低這些模態(tài)的頻率，以免這兩種模態(tài)頻率和變壓器自身帶有的勵源頻率相疊加，造成更多的振動能量向輻射向轉(zhuǎn)化[5]。需要注意的是框架的設(shè)計，盡量留出適量的空裕度，或者加入墊子和吸引材料，以免夾件的框架與“鐵芯”發(fā)生碰撞摩擦而產(chǎn)生噪音。

綜上所述，該文從非晶合金干式變壓器的特性、優(yōu)點、電磁設(shè)計、噪聲控制等多個方面進(jìn)行了較為全面的分析，介紹了非晶合金干式變壓器的優(yōu)缺點，望對希望改善非晶變壓器功能的相關(guān)工作者起到參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 左靜，周易，陶英.非晶合金變壓器的發(fā)展及應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2012（12）.

[2] 陳潤本.非晶干式變壓器的應(yīng)用分析[J].科技信息，2012（27）.

[3] 劉燕，黎劍鋒，蔡定國.非晶合金干式變壓器的特點及性能分析[J].電氣制造，2007（4）.

[4] 劉燕，唐金權(quán)，張建軍.非晶合金干式變壓器幾個關(guān)鍵問題[J].變壓器，2007（6）.

[5] 陳新周，林知音.淺談非晶合金鐵芯變壓器的發(fā)展與應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2011（8）.