非晶合金干式变压器的特点及性能分析

!" #$ 矩形绕组
根据非晶合金变压器的特殊要求， 必须采取矩形 绕组。矩形绕组与常规圆形绕组从设计、 工艺制造上 都有较大区别。由于导线对矩形模具的帖服性较圆 形绕组差， 要控制好矩形绕组的径向尺寸。设计上应 当采选取合适的绕制裕度， 工艺上采用夹具整型， 矩 形绕组的径向尺寸得到很好的控制。
!" %$ 联接组选择
变压器新产品新技术专题
刘! 燕等： 非晶合金干式变压器的特点及性能分析
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$ 个铁心框与绕组装配时， 需要打开开口接缝、 套装绕 组和再连接接缝等。这些使铁心受力的操作会导致装 配后损耗和噪声比裸铁心时有所增加。设计时， 要考 虑这个增加值， 即工艺系数， 它和铁心与绕制的组合装 配方式以及工装水平等诸多因素有关， 企业的装配工 装先进， 装配水平高， 工艺系数就低， 空载损耗较低。通 过选取较高的单位损耗 % & ’( 来获得较低的单位磁化 容量 )* & ’(， 即在满足空载损耗符合要求的前提下， 把 多余的 “损耗性能” 转化成 “ 磁化性能” ， 从而到达降低 噪声的目的。只有经过长时间的探索和制造， 才能获 得与企业自身相符的准确的工艺系数。
由于非晶合金铁心采用三相四框五柱式， 为避免 + 次谐波在 , 个旁柱上形成回路， 联接组采用 -./"" 。
!" &$ 工艺控制
工艺控制是设计与制造非晶合金干变过程中的一个 不可忽视的因素。目前， 对于非晶合金干式变压器三相 五柱式的装配设计主要有 , 种装配方式： 倒装式和平装 式。装配的方式影响非晶合金铁心接缝的质量， 而铁 心接缝的质量会直接影响产品的噪声。一般来说， 平 装式对于非晶卷铁心开口损坏最小， 接缝质量最好， 有 效的避免碎片落入绕组内， 但相对的工艺要求更高。 非晶合金铁心开口接缝的处理一般遵循以下原则： 不得小于 $ 22； !搭接长度 ", 0 "1 22， "搭接面平整， 无毛刺、 尖角； （+ 3 胶水） 或耐高 #搭接后可用特殊胶水 温胶封堵， 以防止铁心碎片产生和减小接缝处的震动。
! ! 非晶合金变压器是用新型导磁材料— — —非晶合金 来制作铁心的新型节能变压器。它比用硅钢片作为铁 心的变压器空载损耗下降 ’() 以上， 空载电流下降约 *() ， 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。 自 &( 世纪 *( 年代第 % 台非晶合金变压器在美国 问世以来， 非晶合金材料和非晶合金配电变压器发展 非常迅速， 到目前为止， 全世界约有 &(( 万台非晶合 金变压器在运行。
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非晶合金干式变压器的特点及性能分析
刘! 燕， 黎剑锋，蔡定国
（ 顺特电气有限公司， 广东省 佛山市 !"#$%% ） 摘要：用非晶合金作为铁心的非晶合金干式变压器属新型节能变压器。文章介绍了非晶合金材料的特点、 非晶合金干 式变压器的特点， 对非晶合金干式变压器的设计、 工艺要求， 及经济效益和社会效益进行了详细地分析阐述。 关键词：非晶合金； 干式变压器； 噪声； 节能 中图分类号："#$%&
燃、 可靠性高、 免维护等优点， 因此非晶合金干式变压 器在配电变压器市场有着广阔的发展前景。
!& 非晶合金干式变压器设计与工艺要求
!9 $& 磁密选取
磁密设计 对 于 非 晶 合 金 干 式 变 压 器 的 成 本、 性 能、 噪声等级都有决定性的作用， 是非晶变压器设计 中最为关键的参数。由于非晶合金材料的特殊性， 其 饱和磁密小于 %+ 3 "， 远低于冷轧硅钢片的饱和磁密 （ 约为 &+ ( "） 。且非晶合金饱和后损耗和发热十分严 重， 有被单方向磁化的可能。因此在电磁设计中， 工 作磁密必须合理选取。另外， 变压器的噪声主要来源 于铁心材料的磁致伸缩引起的铁心振动， 非晶合金的 磁致伸缩程度比硅钢片高 %() 左右。为了降低噪声， 非晶合金铁心必须取得与冷轧硅钢片铁心相同或相 近的磁致伸缩， 因此， 非晶合金干式变压器所选取的 工作磁密就要求低于冷轧硅钢片。非晶合金铁心的 截面相应增大约 3() ， 铁心质量增加约 $() ， 这在一 定程度上使变压器噪声及成本增加。 经研究表明， 磁密每升高 (+ (3 "， 其空载噪声约增 加 & 45， 如果制成变压器成品， 噪声可增加 3 45 左右。 因此， 选择适当的磁密是设计非晶合金干式变压器的 关键， 既要考虑磁密对噪声的影响， 也要兼顾磁密对材 料成本的制约， 在符合噪声要求的前提下尽量减少铁 心用量。根据目前非晶合金干式变压器的制造经验和制 造水平， 铁心工作磁密选取在 %+ , 以下较为适合， 但必须 和企业自身的工艺水平结合起来综合考虑。
变压器好。所以， 突发短路承受试验成了非晶合金干 式变压器的生产制造及销售推广的技术 “ 门槛” 。 由于非晶合金带材的特殊性决定了非晶合金变 压器铁心选择矩形截面， 从成本和绝缘距离的角度考 虑， 高低 压 绕 组 也 设 计 成 矩 形。当 变 压 器 发 生 短 路 时， 承受短路电动力时高压绕组径向向外、 低压绕组 径向向内的排斥力。矩形绕组的受力不及圆形绕组 均匀， 承受短路电动力时容易受力变形。另外， 非晶 合金干式变压器结构的特殊性， 不是采用将铁心作为 主承重结构件的传统设计方案， 而是绕组轴向承重结 构。这样， 矩形绕组的轴向和径向所承受短路电动力 的考验要比圆形绕组严酷。 由于绕组轴向通过垫块压紧在上下夹件间， 高压 绕组为环氧树脂浇注刚体结构， 足以承受铁心质量和 短路时产生的轴向电动力， 轴向电动力的计算与验证 与圆形绕组相同。低压绕组为铜箔绕制， 烘炉固化， 其刚性不如树脂浇注。因此， 矩形截面的箔绕低压绕 组承受短路时向内收缩的径向电动力成了非晶合金 干式变压器承受短路时的最严酷点。 非晶合金干式变压器绕组承受径向短路电动力 在结构及受力状况上与圆形绕组差异较大， 不能用圆 形绕组的经验公式计算和验证。可以应用结构仿真 分析软件对矩形结构的绕组进行有限元分析， 可以得 出矩形绕组在承受短路电动力时， 长边方向的径向变 形最为严重。因此， 在矩形绕组设计时应尽量接近正 方形， 这种情况下受力变形最小。在装配过程中， 可 以在长宽方向加垫支撑物块以增强其强度。 顺特电气有限公司的非晶合金干式变压器 " ,#4 ’)* 试验样机在电力工业电气设备质量检验测试中 心一次性通过三相突发短路试验， 是国内通过该试验 中产品样机容量最大的非晶合金干式变压器。
!" ($ 抗短路能力
由于非晶合金铁心不能受外力， 所以结构上的特 殊性决定了非晶合金干式变压器的受力不如传统的
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电# 力# 设# 备
第 $ 卷 第 !! 期
损耗， %&； ! ’ 为变压器额定负载损耗， %&； " 为单位 空载损耗的等效初始费用， 元 ( %&； # 为单位负载损耗 的等效初始费用， 元 ( %&。 以机 械 企 业 为 例， 假 设 使 用 年 限 )* 年， 贴现率 为 +, ， 年 带 电 时 间 为 + $"* -， 单位月容量费用为 )* 元 ( %&， 电量电费为 *. "/ 元 ( %&-， 年最大负载时间 为/ /** -， 负载率为 *. $/ ， 则 # " 0 $ 12 3 （ % 4 3 & 15 6 % 7 3 !) ） 0 !8 ［! （ ( ! 6 *9 *+ ） ］ 0 /+9 : 元 ( %& *9 *+ 3 （ *9 "/ 3 + $"* 6 )* 3 !) ）
$& 非晶合金材料及干式变压器的特点
非晶合金是一种厚度仅为 (+ (, -- 的特殊的软磁 性材料。它是一定比例的合金原料在熔融状态下经过 超急速冷却 （ 冷却速度 %( . ’ / 0 1 ） 而成的带状金属。 与冷轧 硅 钢 片 相 比， 非 晶 合 金 材 料 具 有 以 下 特 点： 比硅钢片下 !各向同性的软磁材料； " 单位铁损低， 仅为 (+ (, --， 填充系数 降 ’() 2 *() ； #厚度极薄， 低； 涡流损耗小； $电阻率高， % 制造工艺大大简化， 切割要求高； 节能， 无污染； & 硬度大， ’ 必须进行退 火处 理， 易 碎； 受力后会影响 ( 对 机 械 应 力 敏 感， 性能。 由于非晶合金材料具有损耗极低的特点， 特别适 合用作配电变压器的铁心， 以减少其空载损耗。但为 了避免非晶合金铁心因受力而影响其性能， 结构上要 进行特殊设计， 这有别于常规变压器。 非晶合金变压器可分为油浸式和干式 & 种。非 晶合金干式变压器又有环氧浇注式和敞开式 & 种型 式， 以环氧浇注式为多。 非晶合金铁心为矩形截面， 开口式卷铁心， 在一 个轭位有断口， 通过打开断口套装绕组， 然后闭合断 口。铁心一般为三相四框五柱结构。高低压绕组相 应做成矩形， 低压一般为箔绕式， 高压为线绕式， 环氧 树脂浇注。非晶合金干式变压器是一种新型的低损 耗干式变压 器， 由于承继了传统干式变压器难燃阻
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成节能工作的当务之急。配电变压器作为电力传输 系统的重要设备， 由于使用量大、 运行时间长， 具有很 大的节能潜力。随着我国经济的发展， 基础建设的扩 张， 近年来配电变压器的需求量和产量有较大增长。 在我国， 配电变压器的生产企业有 ! *** 多家， 年产量 占全部变压器年产量的 已达 / *** 万 %2; 左 右， ! ( : 左右。近年来全国电力负荷年增长 !*, 以上， 相 当于每年新增约 :$ 万台 :!/ %2; 配电变压器， 若全 部采用 节 能 的 非 晶 合 金 变 压 器， 一年可节省电量 )B. " 亿 %&-， 超过秦 山 核 电 站 )**: 年 全 年 发 电 量。 如将这些电量折算成能耗和废气排放， 相当于每年减 少煤耗 !*! 万 C， 减少二氧化碳排放 )*: 万 C。非晶合 金变压器是名副其实的 “ 节能先锋” 。
!" ’$ 机械强度
非晶合金干式变压器结构上与传统的干式变压器差 异较大， 由于非晶合金材料的特殊性， 受外加应力后， 损 耗会增加 145 左右， 噪声也随之增大， 严重影响性能。因 此， 必须保证非晶合金铁心不受外加应力。为了不让铁 心过于受力， 铁心悬挂在绕组上， 铁心只承受自身的质 量， 没有其他的压紧力。结构上， 器身上下左右采用 $ 形弯板结构的夹件装配结构， 绕组和铁心由结构件支 撑。所以， 上下夹件的承受强度成了结构设计的关键。 通过力学分析， 合理选取夹件的折弯板厚度及折 弯尺寸， 保证夹件承受的最大应力 ! 小于夹件钢材的 许用应力 ［ !］ 。
#$ 经济效益和社会效益
我国是世界上能源消费增长最快的国家， 同时也 是能源紧缺国家， 节能是我国建设节约型社会的一项 必不可少的国策。为满足社会可持续发展和保护生 态环境的需要， 国家发展和改革委员会已将非晶合金 变压器列为重点推广节电产品。当前对非晶合金变 压器经济性 分 析 有 很 多 方 法， 分析的角度也不尽相 同。根据电力行业标准 -6 & 7 8$# —,44# 《 配电变压器 能效技术经济评价导则》 提供的配电变压器能效的技 术经济 分 析 计 算 方 法 中 提 出 的 总 拥 有 费 用 法 !"# （ 79:;< =>/?/( @9A: ） 的概念， 能够全面、 充分表达所购 变压器的综合费用， 它综合了变压器的初始费用和等 价现值的损耗费用。 !"# BC@ D #$ E （ % F &4 E ’ F & G ） 式中， !"# BC@ 为配电变压器的综合能效费用， 元； #$ 为 配电变压器设备初始费用， 元； &4 为变压器额定空载
!9 !& 工艺系数
除单位损耗 6 0 78 外， 非晶合金铁心设计的另外一 个重要的参数就是单位磁化容量 9: 0 78， 降低非晶铁心 的单位磁化容量 9: 0 78 也可达到降噪的目的。由于非 晶铁心单位磁化容量 9: 0 78 与单位损耗 6 0 78 存在制 约关系， 要获得较低的单位磁化容量 9: 0 78， 就要结合 企业的工艺水平来确定。在变压器制造过程中， $ 个或