非晶合金变压器设计

什么是非晶合金
我们先从非晶材料说起，在日常生活中人们接触的材料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。

所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。

反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态材料, 一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态材料。

科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。

一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。

如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。

将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。

钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。

非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。

以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。

由于这样的特性,非晶态合金材料在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。

例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加有效载荷。

用于民用电力、电子设备，可大大缩小电源体积，提高效率，增强抗干扰能力。

微型铁芯可大量应用于综合业务数字网ISDN中的变压器。

非晶条带用来制造超级市场和图书馆防盗系统的传感器标签。

非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。

非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗(指变压器次级开路时，在初级测得的功率损耗)下降80%左右，空载电流(变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流)下降约85%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。

非晶合金变压器设计
非晶合金铁心配电变压器的最大优点是，空载损耗值特低。

最终能否确保空载损耗值，是整个设计过程中所要考虑的核心问题。

当在产品结构布置时，除要考虑非晶合金铁心本身不受外力的作用外，同时在计算时还须精确合理选取非晶合金的特性参数。

除此设计思路外，还须遵循以下三点要求：
(1)由于非晶合金材料的饱和磁密较低，在产品设计时，额定磁通密度不宜选得太高，通常选取1.3～1.35T磁通密度便可获得较好的空载损耗值。

(2)非晶合金材料的单片厚仅为0.03mm，所以其叠片系数也只能达到82%～8 6%。

(3)为了使用户能获得免维护或少维护的好处，现把非晶合金配电变压器的产品，都设计成全密封式结构。

变压器非晶合金结构特点
利用导磁性能突出的非晶合金，来用作制造变压器的铁心材料，最终能获得很低的损耗值。

但它具有许多特性，在设计和制造中是必须保证和考虑的。

主要体体现以下几个方面：
(1)非晶合金片材料的硬度很高，用常规工具是难以剪切的，所以设计时应考虑减少剪切量。

(2)非晶合金单片厚度极薄，材料表面也不是很平坦，则铁心填充系数较低。

(3)非晶合金对机械应力非常敏感。

结构设计时，必须避免采用以铁心作为主承重结构件的传统设计方案。

(4)为了获得优良的低损耗特性，非晶合金铁心片必须进行退火处理。

(5)从电气性能上。

为了减少铁心片的剪切量，整台产品的铁心由四个单独的铁心框并列组成，并且每相绕组是套在磁路独立的两框上。

每个框内的磁通除基波磁通外，还有三次谐波磁通的存在，一个绕组中的两个卷铁心框内，其三次谐波磁通正好在相位上相反，数值上相等，因此，每一组绕组内的三次谐波磁通向量和为零。

如一次侧是D接法，有三次谐波电流的回路，当在感应出的二次侧电压波形上，就不会有三次谐波电压的分量。

根据上面分析，三相非晶合金配电变压器最合理的结构为：铁心，由四个单独铁心框在同一平面内组成三相五柱式，必须经退火处理，并带有交叉铁轭接缝，截面形状呈长方形。

绕组，为长方形截面，可单独绕制成型的，双层或多层矩形层式。

油箱，为全密封免维护的波纹结构。

非晶合金变压器性能
目前广泛采用的新S9型配电变压器，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配电变压器比新S9型配电变压器空载损耗低的一个主要原因。

CNEKE变压器-非晶合金技术参数从表1中的统计数据可以看出，要想节约能源，通过采用新材料的方法，来降低配电变压器的空载损耗值，是一条很有效的途径。

非晶合金变压器使用效果
三相非晶合金铁心配电变压器与新S9型配电变压器相比，其年节约电能量是相当可观的。

以800kVA为例，△P0为1.05kW；两种型式配电变压器的负载损耗值是一样的，则△Pk=0，，便可计算出一台产品每年可减少的电能损耗为：
△Ws=8760(1.05+0.62×0)=9198kW•h
通过该种规格产品的计算可知，三相非晶合金铁心配电变压器系列产品的节能效果非同一般。

由于油箱又设计成全密封式结构，使变压器内的油与外界空气不接触，防止了油的氧化，延长了产品的使用寿命，为用户节约了维护费用。

非晶合金变压器发展前景
非晶合金变压器若能完全替代新S9系列配变，如10kV级配电变压器年需求量
按5000万kVA计算时，那么，一年便可节电100亿kW•h以上。

同时，还可带来少建电厂的良好的环保效益，少向大气排放温室气体，这样会大大地减轻对环境的直接污染，使其成为新一代名副其实的绿色环保产品。

总之，国家在城乡电力网系统发展与改造中，若能大量推广采用三相非晶铁心配电变压器产品，其最终会获得节能与环保两方面的效益。

非晶态高效变压器
节能原理：
变压器损耗中的空载损耗，即铁损，主要发生在变压器铁芯叠片内，主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。

最早用于变压器铁芯的材料是易于磁化和退磁的软熟铁，变压器铁芯是由铁线制成，而不是由整块铁构成，为了克服磁回路中由周期性磁化所产生的磁阻损失和铁芯由于受交变磁通切割而产生的涡流。

用线束制作的铁芯可有效减少涡流路径的截面积。

在20世纪初，经研究发现在铁中加入少量的硅或铝可大大降低磁路损耗，增大导磁率，且使电阻率增大，涡流损耗降低。

经多次改进，方用０．３５ｍｍ厚的硅钢片来代替铁线制作变压器铁芯。

近年来世界各国都在积极研究生产节能材料，变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料——非晶态磁性材料２６０５Ｓ２，非晶合金铁芯变压器便应运而生。

使用２６０５Ｓ２制作的变压器，其铁损仅为硅钢变压器的１／５，铁损大幅度降低。

利用铁、硼、硅、碳4种元素合成的非晶态合金，经特高温熔炼而后急冷再经旋转喷制而成的非晶态带状薄膜，经过磁化而成为变压器铁芯卷材，非晶态合金因为其磁化功率小、磁滞损耗小、填充系数小、磁疇伸缩大、对应力敏感等特性而被称为跨世纪的新型功能材料，以其高效、低损耗、高导磁等优异的物理性能广泛用于电子、电力行业。

在电力行业中，采用非晶态合金作为铁芯材料的配电变压器，其空载损耗可比同容量的硅钢芯变压器降低60％～80％。

技术特点：
(1) 非晶合铁芯片厚度极薄，只有20～30ftm，填充系数较低，约为0．82。

(2) 非晶合金铁芯许用磁密低，单相变压器一般1．3～1．4T，三相变压器一般取1．25～1．35T。

因此，产品设计受材料限制比较高。

(3) 非晶合金的硬度是硅钢片的5倍，加工剪切很困难，一般变压器制造厂只能利用成型铁芯制造非晶合金变压器。

(4) 非晶合金铁芯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。

因此，在变压器器身结构上应考虑尽量减少铁芯受力。

(5) 非晶合金的磁畴伸缩程度比硅钢片高约10％，而且不宜过度夹紧，因此，非晶合金变压器的噪声比硅钢片铁芯变压器高。

适用对象：
由于非晶态变压器的制作工艺限制，变压器容量还比较小，一般变压器容量不超过1600kVA，因此非晶态变压器目前仅作为配电变压器适用于工矿企业、农村电网、配电系统，还不能作为电力变压器使用在输变电系统的电力变压器。