简述非晶合金材料变压器的发展和特点

论文导读：本文介绍非晶合金材料的特性和国内外对非晶合金铁心变压器的研究成果。着重分析我国非晶合金铁心变压器的研制情况发展及其技术经济性。
关键词：非晶态软磁材料，铁心技术经济性
 

变压器是电力系统必不可少的设备之一，其性能的改进几乎全部依靠所用的材料的更新，以及绝缘结构、线圈结构，铁芯结构的变革。变压器效率的提高，是由于使用较低铁芯损耗的磁性材料。

初期制造变压器铁芯材料，曾经使用过软薄钢片和金属丝，但存在损耗大，时效差等问题。在20世纪初，英国哈德菲乐德研制成硅钢薄片，1903年德国和美国相继研究成功热轧无取向电工钢片，在50Hz，1.5T下单位损耗3.5W/kg，使变压器铁芯材料获得突破性进展，此后1934年美国高斯研制成冷轧取向电工硅钢片，并取得了专刊，单位损耗降到2.2W/kg。通过特定的冷轧和退火工艺，将结晶轴调整到轧制方向排列，这种冷轧晶硅钢片大大提高了材料的性能，饱和磁通密度提高了50％，磁导率提高5倍。

1960年，日本开始进一步改善和发展高导磁冷轧晶粒取向硅钢片，使单位损耗下降致0.74W/kg。1983年新日铁又开发了一种经激光处理的磁畴精炼的晶粒取向高导磁硅钢片，单位损耗下降致0.6W/㎏。经过一个世纪的发展，导磁材料单位损耗不断降低，变压器空载损耗也随之下降。如50kVA变压器从五十年代到九十年代铁芯损耗下降了一半还多。由于我国在这方面还不成熟，因此非晶合金铁心变压器并没有像其他形式的变压器得到广泛的普及制造。但是在国家日趋强调的节能降耗，低碳产品经济的大背景下，非晶合金铁心变压器的发展趋势一定会不可估量。近年来，国内外各方面专家对非晶合金材料及非晶合金铁芯的变压器（以下简称非晶变压器）开展了广泛的研究和讨论，其目的是如何进一步降低变压器损耗特别是配电变空载损耗的可能性及非晶变压器运行的可靠性。

非晶合金材料的基础元素是（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）、硅（Si）、硼（B）、碳（C）等组成。它有较低单位损耗，1.5T、60Hz时的单位损耗为0.44W/㎏,比目前最优质的硅钢片－0.23㎜激光照射或等离子处理的高导磁晶粒取向冷轧硅钢片单位损耗还低45％。为此美国1978年首先研制出10kVA非晶合金铁心变压器后，在全球得到很好的发展。我国非晶变压器研制工作始于“七五”，由从1986年试制出国内第一台单相3kVA非晶合金铁心配电变压器至今我国非晶变压器有了较大的发展，非晶变压器的空载较S11型配电变压器降低60％以上，空载电流下降80％左右。论文写作，非晶态软磁材料。它不但有节能效果，还可改善环境和提高其他社会效益，我国虽然已有部分变压器厂试制了多种不同结构的非晶合金变压器，但尚处在初级阶段，有待于进一步在非晶材料变压器设计和制造工艺以及各种实验上开展深入的研究和制造工艺。

非晶合金变压器在我国现在主要作为配电变压器，它适用于负载率较低的场合，农用配变长期处于低负载有的甚至空载条件运行，空载损耗低的非晶合金变压器优越性充分体现出来了。变压器的效率可用下式表示

η= (1)

P2-二次输出有功功率，=β·PH·cosφ2 其中β为负载率, PH变压器额定容量KVA, cos2二次负载功率因数.

PF-变压器的空载损耗,W,=P0

PC-变压器的负载损耗,W,= β2PK

η==

在二次侧功率因数一定时效率的最高与负载率的关系为得β2·PK=P0，β=即当在一定负载率的情况下，负载损耗等于空载损耗时，效率最高。从上式可得变压器最高效率为

ηmax==

当cosφ=1,>>1, ηmax=(1-)×100

从上述几个公式，对S9和非晶合金变压器两系列进行计算，S9系列变压器负载率在40～50%，其效率在98～99%之间，非晶合金变压器的负载率在21～23%其效率在99.5%以上。从以上可以看出，非晶合金变压器效率有了明显的提高。

随着我国经济建设的飞速发展、节能降耗方针政策的实施、以及受变压器原材料上涨等因素的影响，国内部分变压器制造厂家在总结以往技术的基础，对非晶合金铁心变压器进行了改型设计，所设计的SH15型非金合金铁心配电变压器在保证可靠性的前提下材料成本大幅度降低。以下是成本计算公式：

（1）变电成本计算公式如下（年运行小时=24×365=8760小时）：

W=K1×8760(P0+PKK22)×K3

K1-年限，K2-负载系数，K3-电价，

P0-空载损耗，PK-负载损耗，（KW）

（2）变压器使用成本：

T总=Q-K1×8760×(E1P0+E2×PK×K22)×

Q-售价，E1-空载损耗的电费，E2-负载损耗的电费

-现值系数，n-变压器使用年限（寿命年限），i-银行年利率

通过以上公式计算，将SH15型非金合金铁心配电变压器与S11型电力变压器作对比，见下表

从此表可看出，SH15型三相油浸式非晶配电变压器与S11型三相油浸式配电变压器相比，年运行成本平均降低22.7％。论文写作，非晶态软磁材料。另外统计，由于SH15型三相油浸式非晶配电变压器与S11型三相油浸式配电变压器相比，有效材料成本平均上升5.6％，其售价比S11型三相油浸式配电变压器的售价约高20％，但超出部分的投资费用完全可用节省的电费所补偿。以400kV为例：SH15型非晶合配电变压器的售价为59190元（参考价），S11型配电变压器售价为50090元（参考价）。用户若选用SH15型非晶配电变压器需要增加投资费用9100元，而每年节约费用2627元，则投资差值年限为3.46。设银行货款利率为6％，如不考虑通货膨胀因素，变压器运行4年所节约的电费正好为用户选用SH15型非晶配电变压器所增加的投资费用，4年之后，每年所节约的电费（2627元）都归用户所有。

虽然非晶合金变压器节能效果显著，但是其材料对机械应力非常敏感。无论是拉应力还是弯曲应力都会影响其磁性能。非晶合金材料的损耗与合金带表面受力有关，损耗会随受力的增大而迅速上升。论文写作，非晶态软磁材料。一般情况下，非晶合金铁心受力后，变压器的空载损耗会增加60%左右。其制造、工艺较为复杂。在工艺上的注意事项：着重要掌握三个字即吸、粘、封。吸：用大功率吸尖器吸取掉下来的碎片，用磁场棒吸去碎末；粘：用KSD6688硅胶封接口两端面，防止未吸干净的铁末掉入线圈；封：用成型后的绝缘纸板封住端口处。这三个字贯穿于整个变压器的工艺流程。在制造过程中需注意以下几点：

（1）铁心自重引起的应力也会引起变压器空载损耗增加，因此绕组在未套装前，铁心应平放。

（2）在结构设计上要改变传统的变压器结构，即不能把铁心作为变压器的骨架，而要采用绕组作为主支撑，铁心要悬挂在绕组上，绕组的压紧要另设框架，使铁心和绕组受力互不干扰。同时要对器身不能前后左右串动，避免铁心悬挂串动损坏绝缘。

（3）在变压器装配运输过程中均应严防机械应力的作用，避免其影响变压器的空载损耗。论文写作，非晶态软磁材料。

非晶合金铁心变压器由于铁心不能受压，其器身结构中铁心悬挂在箱盖上，另设框架压紧绕组，是铁心和绕组受力互不干扰，在结构上对齐并进行定位处理，使整个器身不能前后左右串动，避免因铁心悬挂串动损坏绝缘，这些与普通硅钢片铁心变压器的不同。论文写作，非晶态软磁材料。

非晶变压器其低耗的特性，充分适应国家倡导的低碳经济的发展。论文写作，非晶态软磁材料。它不但有节能效果，还可改善和提高其他社会效益。非晶合金及其衍生产品，特别是配电变压器产品有着广阔的市场前景，市场有着有着很旺盛的需求。因此非晶合金变压器将来的发展有着不可估量社会价值，其发展方向也是很明朗的。

参考文献
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[3]魏春华，王显文，王承志变压器铁心制造工艺[M]。北京：机械工业出版社，1998
[4]刘焕浅谈非晶合金铁心变压器[J]。变压器，2007，44（4）：15-17