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非晶合金变压器

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非晶合金变压器(英語:Amorphous Metal Transformer)是一种低损耗、高能效的电力变压器。此类变压器以铁基非晶态金属作为铁芯,由于该材料不具长程有序结构,其磁化及消磁均较一般磁性材料容易。因此,非晶合金变压器的铁损(即空载损耗)要比一般采用硅钢作为铁芯的传统变压器低70-80%[1]。由于损耗降低,发电需求亦随之下降,二氧化碳温室气体排放亦相应减少。基于能源供应和环保的因素[2][3],非晶合金变压器在中国[4][5]印度[6]等大型发展中国家得到大量采用。以中印两国目前的用电量来计算,若於配电网全面采用非晶合金变压器的话,每年大约可节省25-30TWh发电量,以及减少2至3千万吨二氧化碳排放。

非晶合金变压器设计

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非晶合金铁芯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芯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%~86%。
  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

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利用导磁性能突出的非晶合金,来用作制造变压器的铁芯材料,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,则铁芯填充系数较低。
  3. 非晶合金对机械应力非常敏感。结构设计时,必须避免采用以铁芯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,非晶合金铁芯片必须进行退火处理。
  5. 从电气性能上。为了减少铁芯片的剪切量,整台产品的铁芯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芯框内,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:铁芯,由四个单独铁芯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

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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。表1为三相非晶合金铁心配电变压器与新S9型配电变压器空载损耗值的比较。

使用效果

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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

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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。[7]

参考资料

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  1. ^ B. Kennedy, “Energy Efficient Transformers” McGraw-Hill, 1998.
  2. ^ J.Li, “Climate Change and Energy—Opportunities in China”, presented in Climate Change: The Business Forecast" Conference, London, Oct 2005. (可於李振峰先生的个人网页 http://www.jerryli.co.nr页面存档备份,存于互联网档案馆) 下载)
  3. ^ J. Li, “Use of Energy Efficient Transformers in Asia”, presented in Asian Energy Conference 2000, Hong Kong. (可於李振峰先生的个人网页 http://www.jerryli.co.nr页面存档备份,存于互联网档案馆) 下载)
  4. ^ “SPC Note on T&D network loss reduction and energy saving plan” SPC Transportation and Energy Section, Document #123, 1997.
  5. ^ 国家电网公司重点应用新技术目录(2006年第一批), ISBN 978-7-5083-5266-4
  6. ^ B.S.K. Naidu, “Amorphous Metal Transformers—New Technology Developments”, Keynote Speech, CBIP-AlliedSignal Seminar (India), April 1999.
  7. ^ 非晶合金变压器[永久失效連結]