非晶合金变压器及其节能效果分析

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2010年第16期（总第151期）

NO.16.2010

（CumulativetyNO.151）

China Hi-Tech Enterprises

摘要：文章主要介绍了非晶合金变压器的特点和性能，对其在实际应用中的节能效果进行了分析，指出了其节能效果

显著的特征，以期能大范围推广将有广阔的发展前景。关键词：非晶合金；变压器；节能硅钢片；节能效果评价中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1009-2374 （2010）16-0072-03非晶合金变压器及其节能效果分析

罗王琼

（陕西汉中供电局，陕西 汉中 723000）

变压器是根据电磁感应原理制造和工作的一种变电设备，主要通过导磁磁路系统完成电能传输，导磁材料的性能直接影响变压器的经济技术指标，非晶合金材料在此基础上迅速发展。材料一般分为晶态材料和非晶态材料。晶态材料是指材料内部的原子遵循一定规律排列。反之，原子处于无规则排列状态则为非晶态材料。非晶合金就是指合金熔化后，采用超级冷却技术，迅速使之冷却，金属原子还来不及重新排列被凝固住呈结晶状态，由此产生非晶态合金。非晶合金变压器是利用非晶合金材料代替传统的硅钢片制造变压器，非晶合金材料的突出特点是铁磁损耗低，所以非晶合金变压器的空载损耗低，与S9系列变压器相比空载损耗下降70%～80%、空载电流下降40%～60%，负载损耗下降20%～30%，还可减排CO、SO 等有害气体，其节能、降耗特点被人们誉为“绿色材料”。

一、非晶合金变压器特点简述

非晶合金变压器80年代起逐步在美国、逐步在日本及欧洲国家推广，并于90年代开始少量进入我国用于电网试运行，非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.025～0.03mm，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。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。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。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。非晶合金铁心配电变压器外形与其他油浸变压器相同，不同之处在于它是由4个用非晶合金带材卷制的铁芯框叠放在一起，构成三相五柱式结构，采用Dyn11接线组别，最突出优点是空载损耗值特低（见表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，经美国电力研究院、日本东京电力公司和我国有关部门研究，发现运行数年后的非晶合金变压器空载电流和空载损耗与交付试验时的极为接近。

当然，非晶合金变压器与硅钢变压器相比，也有欠缺的方面，例如噪音较大。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。另一原因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，在一定程度

上会使变压器噪声增大，经实测噪声大于普通变压器5～10个分贝，约为50～66dB。

表1 非晶合金变压器与S9系列油浸配电变压器主要理论参数比较

额定容量（kVA）空载电流%空载损耗（kW）S9非晶合金S9非晶合金50 2.00.70.170.034100 1.60.70.290.06160 1.40.50.40.08200 1.30.50.480.1315 1.10.40.670.14400 1.00.40.80.17500 1.00.40.960.26300.90.3 1.20.248000.80.3 1.40.31000

0.7

0.3

1.7

0.34

二、非晶合金变压器节能效果

（一）配电变压器节能降损理论计算

变压器的功率损耗，包括有功功率损耗ΔP 和无功功率损耗ΔQ 。

变压器节能降损的优化计算分别考虑有功损耗最小、无功损耗最小、综合功率损耗最小的三种情况。如用户以节约有功电量为主，则按有功经济运行进行优化计算；如以提高功率因数为主，则按无功经济运行进行优化计算；如两者兼顾或以降低系统线损为主，则按综合功率经济运行进行优化计算。

配电网运行时一般采用无功补偿措施，由变压器的无功引起的实际损耗并不大，功率因数比较高（实侧数据功率因数均在0.9以上），所以可不考虑变压器的无功当量损耗，即按有功损耗最小进行分析计算。

包括空载损耗P 0和负载损耗P k ，

即不变损耗和可变损耗，也称为铁损和铜损。

有功功率损耗ΔP 为：

ΔP =P 0+K t β2P k （1）有功功率损耗率ΔP %为：

2020%100%

cos t k

N t k

P K P P S P K P ββϕβ+Δ=×++

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ΔP %近似公式为：

2

0%100%cos t k

N

P K P P S ββϕ+Δ=× （2）

式中：

P 0——空载损耗；P k ——负载损耗；β——平均负载系数；K t ——负载波动损耗系数；cos φ——平均功率因数。（二）单台新、旧变压器的有功损耗及电能损耗率计算通过在试点采集数据，比较非晶合金变压器与S9变压器的节能效果。

以S9-100与新更换的非晶合金变压器SH15-M-100为例进行分析。

S9-100变压器参数：

S N =100kVA，P 0=290W，P k =1500W，I 0%=1.6，U k %=4；SH15-M-100变压器参数：S N =100kVA，P 0=75W，P k =1500W，I 0%=1.0，U k %=2.76。

由新、旧变压器参数，通过式 （1）和式 （2）计算不同负荷率β下变压器的有功损耗及电能损耗率。计算中根据实

际负荷情况，取负载波动损耗系数K t =1.05，

平均功率因数cos φ=0.94。计算典型数据见表2，对比曲线如图1所示:

表2 新、旧变压器的负荷率β与电能损耗率

负荷率β电能损耗率ΔP %负荷率β电能损耗率ΔP %SH15S9SH15S90.05 1.68 6.250.5

0.88 1.450.10.96 3.250.6 1.14 1.520.150.78 2.310.7 1.29 1.610.20.73 1.870.8 1.44 1.730.30.77 1.530.9 1.60 1.850.4

0.87 1.44

1.0

1.75

1.98

图1 新、旧变压器负荷率和电能损耗比较图由图1可知，S9-100变压器在负载率为40%～60%之间时节能效果最高；而SH15-M-100变压器在负载率为15%～30%之间时节能效果最高。

以下对两台变压器的综合损耗、年损耗电量及年损耗折算金额进行计算，以便进行节能效果比较，计算数据见表3：

表3 非晶合金变压器与S9型变压器节能效果比较表

负载率β综合损耗/W 年损耗电量/kW·h 年损耗折算金额/元SH15S9SH15S9SH15S90.32164311892377592718490.432754228644748140323260.546868340995983200829310.6

642

857

5624

7507

2755

3678

从表3可知，年平均负荷率取0.3时，一台100kVA 的SH15-M 型非晶合金变压器运行一年，比S9型变压器节约能耗1883kW ·h。

根据提供的S9型变压器典型日原始运行数据，变压器的负荷率大部分在20%～30%，晚上18～20h，负荷率在50%～60%，晚上1时到6h，负荷率在10%以下。

S9-100变压器在负载率为40%～60%之间时节能效果

最高；而SH15-M-100变压器在负载率为15%～30%之间时节能效果最高。

三、新旧变压器综合分析

结合实际，为全面客观的分析非晶合金变压器节能效果，采用了单点和多点试验两种方案，8台非晶合金变压器采用单点试验方案，20台非晶合金变压器采用多点试验方案。（一）单点方案综述

选择8个配电台区作为单点试点工程，其中A 类（平均负载率较高，日负荷变化明显）台区3台、D 类（平均负载率接近平均水平，日负荷变化明显）台区2台、G 类（平均负载率较低，日负荷变化明显）台区3台。更换非晶合金铁芯变压器8台，总容量1645kVA，其中80kVA/台、100kVA/台、200kVA/2台、250kVA/3台、315kVA/台。

根据非晶合金变压器台区的运行监测数据，对非晶合金变压器的实际节能效果情况进行计算分析，下面从配电台区纵向和横向两种情况进行对比。

以A 类某台平均负载率为31.75%的315kVA 配电台区为例，更换前配电变压器型号为S9型，更换前平均有功损耗率为1.36%；平均无功损耗率为26.37%。更换后平均有功损耗率为0.903%；平均无功损耗率为13.17%。由此可见，在非晶合金变压器更换前后，平均有功损耗下降0.457%，平均无功损耗下降13.2%。有功损耗和无功损耗均呈现明显的下降趋势。

以D 类某台平均负载率为27.35%的250kVA 配电台区为例，更换前配电变压器型号为S9型，更换前后平均有功损耗率分别为2.15%和1.2%，平均有功损耗下降0.95%。

以G 类某台平均负载率为21.29%的200kVA 配电台区为例，更换前配电变压器型号为S9型，更换前后平均有功损耗率分别为1.95%和0.79%，平均有功损耗下降1.16%。

对非晶合金配电变压器台区更换前后对比分析情况可以明显看出，非晶合金配电变压器在平均负载率为20％～30%的配电台区与传统的S9系列配电变压器相比，在实际运行中具有明显的节能降损效果。

（二）多点方案综述

选择一条10kV 线路作为多点试点，更换非晶合金铁芯变压器20台，总容量1450kVA，其中30kVA/3台、50kVA/6台、80kVA/8台、100kVA/1台、160kVA/2台。其中A 类（平均负载率较高，日负荷变化明显）台区4台、B 类（平均负载率较高，季节性负荷）台区1台、D 类（平均负载率接近平均水平，日负荷变化明显）台区6台、E 类（平均负载率接近平均水平，季节性负荷）台区1台、G 类（平均负载率较低，日负荷变化明显）台区8台。

由测得数据计算可知，更换前平均线损率16.55%；更换非晶变压器后平均线损率9.07%。更换后平均线损率降低了7.48%。其平均线损率呈现明显的下降趋势。

四、技术经济综合分析

非晶合金变压器应用于实际工程时，除考虑其节能效果

外，变压器的运行费用及投资也是需要考虑的一个重要因素。非晶合金变压器价格高，约为同容量S9变压器的1.3～1.5倍，投资价差回收期是一个重要的经济技术指标，它直接关