非晶合金变压器设计

非晶合金变压器设计

1 非晶合金变压器综述

1.1非晶合金材料

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力、能源、电子、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。非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。

1.2非晶合金的主要特点

（1）非晶合金铁心

1）非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.025mm，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、213mm3种宽度。

2）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，因此，产品设计受到材料的限制。

3）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，对设备、刀具要求较高。一般是对边缘剪切处进行加温从而获得良好的剪切面，心柱由同一宽度的非晶合金带卷制而成，故铁心截面呈长方形，相应的高、低压绕组均为矩形。

4）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。其退火工艺比较复杂，要求较高。

5）非晶合金铁心材料退火之后的脆性（易产生碎屑）也是设计制造时需关注的问题，需要采取一定的工艺措施。

6）非晶合金铁心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，所以，铁心的损耗会随着压力的增大而增加。这需要在器身结构设计方案中予以充分考虑。

7）单相非晶合金铁心变压器的铁心结构一般为“框”形，如图1.1所示；

三相变压器的结构则由

4个“框”合并成类似的三相五柱式结构，如图1.2所

示；容量较大时，则采用8个铁心框叠放在一起的结构。

图1.1 单相非晶合

图1.2 三相非晶

（2）非晶合金铁心变压器运行后的空载损耗

非晶合金片磁滞损耗和涡流损耗都明显低于取向硅钢片，因此非晶合金铁心配电变压器的空载损耗只有S11型配电变压器空载损耗的40％，甚至更少。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。

此问题早在开发非晶合金变压器期间已经有所考虑。

1982年，第一台非晶合金铁心变压器在美国挂网运行；

1983年，美国电力研究院（EPRI）、GE公司及纽约州电力公司曾考虑到了这一问题，并于1985年，将已制成的台、柱上变压器送到个成员单位进行为期年的现场试验。现场试验的测试数据表明，运行2年后其空载电流和空载损耗与交付试验时的极为接近。

日本东京电力公司、Takao电气公司和日立电气公司对非晶合金变压器的长期可靠性做了深入细致地研究。他们从1991年起对不同容量的200台非晶变压器进行了加速老化、现场运行、短路、冲击等试验，还进行了负荷和振动对变压器空载特性的影响测试。研究结果表明，在30年寿命期内，其空载特性是稳定的，运行是可靠的。

我国对此问题亦有研究。1995年，作为非晶合金配电变压器试运行单位的甘肃省天水市北道区电力局，根据冶金部、电力部关于攻关试验项目试验测试的规定要求，对10台挂网运行2个月的非晶合金变压器进行了测试，测试结果与运行前的测试值是相一致的。

铁心材料被制作成形铁心后已经过了约400℃高温的退火处理，这对于正常运行温度、短路热稳定温度都已是足够高的了，所以不必担心材质会在30年寿命期内因温度而发生变化。因此，非晶合金变压器不存在空载损耗在运行中会有所增加的可能。

（3）非晶合金变压器噪声

研究表明，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。在10%同一磁通密度下的磁滞伸缩程度，非晶合金的这一指标比传统晶粒取向冷轧硅钢片高。但是，冷轧硅钢片的饱和磁通密度较高，约为2.03T，而非晶合金的饱和磁通密度较低，约为1.5T。因为非晶合金铁心变压器的额定工作磁通密度（1.25～1.35T）要比冷轧硅钢片铁心变压器的额定工作磁通密度（1.63～1.73T）低得多，因而二者的实际磁滞伸缩是接近的。

但是，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，这在一定程度上会使变压器噪声增大。

另外，铁心自身结构和制造工艺对噪声也有一定的影响。非晶合金铁心表面涂覆有环氧树脂，如果树脂涂覆不好或由于树脂质量差或调配比例不当而引起树脂脱落，或者接缝叠装不整齐等都会增加变压器噪声。因此在产品设计中有必要对铁心和器身采取接缝涂漆、加消音垫等减振措施。

所以，非晶合金铁心变压器的声级很难控制。在行业标准JB/T10088—2004《6～500kV级电力变压器声级》中也指出：“本标准规定的声级限值不适用于非晶合金铁心变压器，非晶合金铁心变压器的声级限值由制造单位与用户协商确定。”然而其噪声并不是不可以控制的，在现有技术条件下，若在非晶合金变压器设计、工艺、制造、使用过程中多加注意，精心控制，则非晶合金铁心变压器也可达到传统铁心变压器的声级水平。但对于噪声要求较严格的场所，建议慎重考虑。

（4）联结组

由于三相非晶合金配电变压器采用三相四框五柱式铁心结构，每个相绕组套在磁路独立、相邻的两框上。每个框内的磁通除基波磁通外，还有三次谐波磁通，三次谐波磁通占基波正弦波磁通的百分数则与运行时额定磁通密度选用值有关。一个绕组的两个铁心框内的三次谐波磁通在相位上正好相反，数值上相等，因此每一组绕组内的3次谐波的磁通相量和为零。当变压器高压绕组采用D 联结时，三次谐波电流在高压绕组三角形内构成回路，在感应出的二次侧电压波形上就不会有三次谐波电压分量。当然，每个框内的空载损耗还是会受到各自框内二次谐波磁通的影响，因而其联结组一般采用Dyn联结。用户在选用产品时应注意这一点。

（5）抗短路能力

上文已介绍非晶合金铁心的损耗会随着压力的增大而迅速上升。一旦变压器发生短路，所产生的冲击性电动力如果直接作用于非晶合金铁心，铁心是无法承受的。因此，在器身结构上，不能采用将铁心作为主承重结构件的传统设计方案，低压绕组应自保持，一般将低压绕组绕在硬筒上，将高压绕组直接套绕在低压绕组上，装配时将绕组支撑在单独的绕组支撑系统上并压紧固定，这样可使铁心不受压力，减少了变压器短路时径向的内缩或外扩，从而有效地确保