非晶合金变压器节能分析

摘要　文章介绍了非晶态磁性材料以及非晶合金铁芯变压器ＳＨ１２，对ＳＨ１２、Ｓ９、Ｓ７的能耗做了计算与对比，并计算了８００ｋＶＡ的ＳＨ１２较同容量的Ｓ７、Ｓ９多投资的回收年限。
关键词　２６０５Ｓ２　ＳＨ１２　节能　多投资回收年限电力变压器自１８８１年发明至今已经有一百多年。目前大多数情况下，电能的电压等级自发电站到用户至少要经过５级变压器，方可输送到低压用电设备（３８０Ｖ／２２０Ｖ）。虽然变压器本身效率很高，但因其数量多、容量大，总损耗仍是很大的。据估计，我国变压器的总损耗占系统发电量的１０％左右，如损耗每降低１％，每年可节约上百亿度电，因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施。
１　铁芯损耗的控制
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１９００年左右，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。
２　ＭＥＴＧＬＡＳ２６０５Ｓ２
非晶态合金早在太阳能电池领域已有了飞跃发展。在８０年代迅速应用于磁性材料领域，美国阿拉伊特公司长期从事非晶态材料的研究，以ＭＥＴＧＬＡＳ为品名。１９７９年已研制出具有实用价值的２６０５ＳＣ，其材料成份为Ｆｅ８１Ｂ１３．５Ｓｉ３．５Ｃ２。该公司在１９８１年又试制成功非晶态磁性２６０５Ｓ２，化学成份为：Ｆｅ７８Ｂ１３Ｓｉ９，与最初的２６０５ＳＣ相比，降低了磁通密度，改善了热稳定性，降低了铁损，两者性能比较见表１所示。
非晶态合金是无晶料原子结构，一个个原子无规则的分布在材料的基体中，并能迅速冷却而出现玻璃状成份。典型的非晶态合金含８０％的铁，而其它成份是硼和硅。非晶态合金有很多生产方法，但最常见的是把熔化的金属蒸汽喷在高速旋转的铜绕线架上，熔化的金属以１０６℃／ｓ的速率冷却并固化成薄肋状；因淬火形成的高内应力必须用２００℃～２８０℃之间的退火来减小，以便成为好的磁特性材料。
变压器铁芯噪音，其中很重要的原因与铁芯材料的磁致伸缩有关，非晶态铁芯与硅钢铁芯有着显著不同，见图所示。
３　非晶合金铁芯变压器
美国麻省理工学院于１９７９年采用２６０５ＳＣ制作了１５ｋＶＡ的干式变压器。日本于１９８１年７月采用２６０５Ｓ２试制了１０ｋＶＡ的变压器，再于１９８２年８月试制了３０ｋＶＡ的高压油浸变压器，１９８３年２月又试制了３５ｋＶＡ三相五柱式模型变压器作研究对象。我国在８０年代初期进行对非晶态合金变压器的研究，并于１９８６年由上海变压器厂研制了３０ｋＶＡ的非晶态铁芯变压器。９０年代非晶铁芯变压器的研发已进入实用阶段，国内数厂家相继引进国外技术，生产出较大容量的非晶铁芯变压器。
３．１ 非晶合金铁芯变压器的构成
（１）变压器铁芯均为三相五柱式两行矩形排列，在两个旁柱中流过零序磁通，磁通不经过箱体，不产生发热的结构损耗，使变压器能满足低噪声、低损耗；
（２）高低压线圈均为矩形的铜绕组，当线圈偶然发生短路时，能适应较大的机械应力破坏，线圈不产生变形；
（３）箱体采用冷轧钢板制成的片状散热器，高低压套管的上方加装防冰雹、防尘、防雨罩，其引线无导体裸露，可用电缆接线，全绝缘保护；
（４）变压器热循环油填充硅油，箱体全密封，２０年内免维护，且可适应高温场所。
３．２　非晶合金铁芯变压器的规格
（１）容量：３０ｋＶＡ～１６００ｋＶＡ，电压６ｋＶ～１０ｋＶ／０．４ｋＶ／０．２２ｋＶ，联结组标号为Ｙ•ｙｎ０，Ｄ•ｙｎ１１；
（２）空载损耗、负载损耗、阻抗电压、主绝缘均符合ＧＢ／Ｔ６４５１－１９９５的技术要求。
４　非晶合金铁芯变压器的节能效果
非晶合金铁芯变压器，具有低噪音、低损耗等特点，其空载损耗仅为常规产品的１／５，且全密封免维护，运行费用极低。
Ｓ７系列变压器是１９８０年后推出的变压器，其效率较ＳＪ、ＳＪＬ、ＳＬ、ＳＬ１系列的变压器高，其负载损耗也较高。８０年代中期又设计生产出Ｓ９系列变压器，其价格较Ｓ７系列平均高出２０％，空载损耗较Ｓ７系列平均降低８％，负载损耗平均降低２４％，并且国家已明令在１９９８年底前淘汰Ｓ７、ＳＬ７系列，推广应用Ｓ９系列。非晶合金铁芯变压器ＳＨ１２系列的空载损耗较Ｓ９系列降低７５％左右，但其价格仅比Ｓ９系列平均高出３０％，其负载损耗与Ｓ９系列变压器相等。下面仅对其节能效果与投资效益做一计算实例。
４．１ 计算公式
（１）有功损耗：ΔＰ＝Ｐ０＋ＫＴβ２ＰＫ（１）
（２）无功损耗：ΔＱ＝Ｑ０＋ＫＴβ２ＱＫ（２）
（３）综合功率损耗：ΔＰＺ＝ΔＰ＋ＫＱΔＱ（３）
Ｑ０≈Ｉ０％ＳＮ，ＱＫ≈ＵＫ％ＳＮ
式中：Ｑ０——空载无功损耗（ｋｖａｒ）
　　　Ｐ０——空载损耗（ｋＷ）
ＰＫ——额定负载损耗（ｋＷ）
ＳＮ——变压器额定容量（ｋＶＡ）
Ｉ０％——变压器空载电流百分比。
ＵＫ％——短路电压百分比
β——平均负载系数
ＫＴ——负载波动损耗系数
ＱＫ——额定负载漏磁功率（ｋｖａｒ）
ＫＱ——无功经济当量（ｋＷ／ｋｖａｒ）
４．２ 计算条件
（１）取ＫＴ＝１．０５；
（２）变压器容量ＳＮ＝８００ｋＶＡ联结组别为Ｙ•ｙｎｏ；
（３）对城市电网和工业企业电网的６ｋＶ～１０ｋＶ降压变压器取系统最小负荷时，其无功当量ＫＱ＝０．１ｋＷ／ｋｖａｒ；
（４）变压器平均负载系数，对于农用变压器可取β＝２０％；对于工业企业，实行三班制，可取β＝７５％，以下按这两种情况计算；
（５）变压器（８００ｋＶＡ）价格为Ｓ７＝７６０００元，Ｓ９＝９１０００元，ＳＨ１２＝１１８３００元；
（６）变压器运行小时数Ｔ＝８７６０ｈ，最大负载损耗小时数：ｔ＝５５００ｈ；
（７）电费按综合电费０．６０元／ｋＷｈ（未按两部电价计算方法）；
（８）变压器空载损耗Ｐ０、负载损耗ＰＫ、Ｉ０％、ＵＫ％，见表２所示。
４．３ 计算实例
根据计算公式及计算条件，按β＝２０％和β＝７５％两种情况分析，计算过程及结果见表３所示。
４．４　投资价差回收年限
投资价差回收年限，一般有两种计算方法：
（１）静态投资回收期：不考虑投资的货币时间价值，计算公式：＝；
（２）动态投资回收期：考虑投资的货币时间价值，将现在投资及未来收益均以资金的折现率折为现值。此法计算复杂，要涉及通货膨胀率、资金银行利率、折现率等，因此不确定因素多。在此建议不采用此法，则宜采用静态投资回收期。
ＳＮ＝８００ｋＶＡ的ＳＨ１２较Ｓ７多投资：
ΔＣＳ７＝１１８３００－７６０００＝４２３００元
ＳＨ１２较Ｓ９多投资：
ΔＣＳ９＝１１８３００－９１０００＝２７３００元
在β＝２０％时，多投资的回收年限为：
ＴＳ７＝＝＝４．４９（年）
ＴＳ９＝＝＝３．７９（年）
在β＝７５％时，多投资的回收年限为：
Ｔ＇Ｓ７＝＝＝２．５９（年）
Ｔ＇Ｓ９＝＝＝３．７９（年）
其它容量的ＳＨ１２较Ｓ７，Ｓ９多投资回收年限计算，均可采用上述计算方法及步骤。
５ 结论
原国家计委节能局在１９８３年颁布实施的《关于节约能源基本建设项目可行性研究的暂行规定》中指出：计算投资回收年限一般不应超过５年，最长不超过７年，做为权衡投资与节能效益的政策规定。
根据以上计算结果，可得出如下结论：
（１）ＳＨ１２较Ｓ７，Ｓ９多投资的部分均在政策规定的年限内收回，因此目前推广应用ＳＨ１２符合节约能源的国家政策导向；
（２）在农村地区一般情况下平均负载率为１５％～２０％，ＳＨ１２较Ｓ７多投资回收年限稍长，但较Ｓ９多投资的回收年限较短，说明在农村地区权衡ＳＨ１２、Ｓ９的投资及节能效益时，应做出推广应用ＳＨ１２代替Ｓ９的决策；
（３）在工矿企业中，实行三班制，负载率一般在５０％～８０％，ＳＨ１２多投资的回收年限较农村地区短，其投资效益更加显著；
（４）广泛推广应用非晶合金铁芯变压器，无论是在农村地区的农网改造，还是在厂矿企业，尤其是在新建的配电室变电站中，建议均应采用ＳＨ１２，如一次性投资到位，可避免短期的重复投资。

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