非晶合金油浸式变压器简介
一、概述
      非晶合金变压器是采用新型导磁材料——非晶合金带材来制作铁心的新型高效节能变压器。非晶合金变压器的最突出的特点就是空载损耗和空载电流非常小, SH15型非晶变比用硅钢片作为铁心的S9型变压器空载损耗下降70%以上,空载电流下降约80%,是目前节能效果非常好的配电变压器。是符合国家经委、计委颁布的《中国节能技术大纲》精神的理想电气产品。自1982年美国通用电气公司研制的非晶配电商业投运以来,这二十多年来非晶变已经在国内、国外电网上普遍运行了。
二、非晶合金变压器的发展历程
1、国外发展历程
非晶合金变压器技术最早是由美国首先发展起来的,其主要发展历程如下:
1960年,美国加利福尼亚大学在金和硅的合金中发现一种导磁的非晶合金;1974年,美国联信公司研制出铁基非晶合金,同年,美国通用电气公司发现非晶合金具有低单位损耗特性;1978年,美国研制出10kVA非晶合金变压器;1982年,美国通用电气公司、美国电力研究所和帝国电力研究公司联合研制的非晶合金变压器投入运行;1986年,美国通用电气公司开始商业化批量生产非晶合金变压器。目前非晶合金变压器技术已在世界上许多国家都得到应用和发展,在瑞士、英国、西班牙、加拿大、日本、印度、菲律宾、台湾等国家和地区都有非晶变制造厂。
2、国内发展历程
我国非晶合金变压器技术应用与发展相对较晚,1985才开始非晶合金变压器的研制工作,但近几年来发展相对较为迅速,主要发展历程如下:
1985年,上海变压器厂引进国外非晶合金铁心,装配完成一台30kVA的非晶合金变压器,同年,上海钢铁研究所研制出100kVA的三相叠片式非晶合金变压器;1991~1995年,国内联合了上海变压器厂、天津变压器总厂、北京变压器二厂、保定变压器厂、辽阳变压器厂和佛山变压器厂6家生产厂,试制完成额定容量为160、200、315kVA和500kVA 等4种规格的样机6台;1998年,上海置信电气股份有限公司率先从美国通用电气公司引进了非晶合金变压器生产技术,并拥有生产非晶合金铁心的工艺设备,正式开始了非晶合金变压器规模化生产时代。我国的非晶变市场是从2006年开始急速升温,从最早的十几家生产厂经过08、09年的扩张,到2010年,目前市场已有一百多家生产非晶变的厂家,其中具备规模生产能力的将近有二十家。
三、非晶合金变压器主要分类
    按照非晶合金变压器的结构组成、功能特点以及适用领域,目前非晶合金变压器主要分类如下:三相油浸式非晶合金变压器、单相油浸式非晶合金变压器、地埋式非晶合金变压器、非晶合金路灯变压器、箱式非晶合金变压器、干式非晶合金变压器、风力发电用非晶合金变压器、光伏发电用非晶合金变压器等等。
 四、正常使用条件
     海拔不超过 1000m 户内或户外
     最高环境气温度 +40℃ 最高日平均温度 +30℃
     最高年平均温度 +20℃ 最低气温 -25℃
   地震烈度:8度
   污秽等级:Ⅲ级
     根据用户要求可提供在特殊使用条件下运行的变压器。(海拨超过1000m高的每超过100m其额定短时外施耐压值将提高1%,因此绝缘距离也将随着海拨高度的增加而增大,这样就会相应的增加制造成本。而在地震高发区或严重污秽的地方,因为要增加一些特殊处理,也会因此增加制造成本。)
  五、执行标准
a.     GB 1094.1-1996  电力变压器 第1部分:总则
b.     GB 1094.2-1996  电力变压器 第2部分:温升
c.      GB 1094.3-2003  电力变压器 第3部分:绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙
d.     GB 1094.5-2008  电力变压器 第5部分:承受短路的能力
e.      JB/T 10318-2002  油浸式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求
f.       GB /T 6451-2008  油浸式电力变压器技术参数和要求
g.     JB/T 10088-2004  6kV-500kV级电力变压器声级
六、非晶合金材料
非晶合金是一种新型节能材料,它是以铁、硼、硅、钴和碳等元素为原料,用急速冷却等特殊工艺使内部原子呈现无序化排列的合金。非晶合金带材生产时,在铁、钴、镍、铬等金属中添加硅、硼、碳等非金属,将1400℃高温下一定比例的铁、硅、硼等混合热熔液,以相当于每秒钟冷却一百万摄氏度的高速冷却,冷却速度为105~107K/s,冷却底盘的转动速度约为30m/s,从溶液到薄带成品一次成形。由于高速旋转和冷却时的高温骤降,合金箔的原子结构呈现无序排列,类似于玻璃,不存在通常金属合金所表征的晶体结构,故称其为“非晶合金”。 采用非晶合金带材制造的变压器的空载损耗和空载电流非常低,可减少CO、SO、NOx等有害气体的排放,它也被称为二十一世纪的“绿色材料”。
1、非晶合金带材的产业情况:世界上现只有两家公司能批量生产非晶合金带材,一家是日本日立金属公司,另一家是中国的安泰科技公司。美国曾是世界上最大的非晶合金材料制造商,霍尼韦尔(Honeywell)公司是最早拥有非晶材料制造的平板流技术专利,年生产能力达3万吨以上的,2003年被日本日立金属公司收购。日立公司经过2008年扩产后,现年生产能力达到8万吨。而安泰科技公司经过2009和2010年两条万吨级的生产线投产后,现具备年产4万吨的产能,但带材质量还不是太稳定,只能做142mm片宽的带材。
2、非晶合金带材的特性:非晶合金带材主要有铁基、铁镍基、钴基三大类,用于非晶合金变压器是铁基非晶合金,它有以下几个特性:
(1)非晶合金没有晶格和晶界存在,因此,其磁化功率小,并具有良好的温度稳定性。由于非晶合金为无取向材料,故可采用直接缝,且不用分级,使制造铁心的工艺比较简单。
(2)非晶合金带材的厚度为0.02~0.03,是硅钢片的十分之一左右。因此涡流损耗大大降低。其表面不太平整,电阻率较高,单位损耗仅为硅钢片的20%~30%。
(3)非晶合金带材的硬度约是硅钢片的5倍,加工剪切比较困难。而且脆性较大,常温下进行切割,边缘容易出现碎裂、变形和起层现象。因此非晶合金带材在加工时,先局部加高温,再用特殊的刀具进行切割。
(4)非晶合金对机械应力非常敏感。生产过程中的压、拉、弯、打等应力都会影响其磁性能,这些施加到铁心的应力会增大产品的空载损耗和噪音,一般会增加20%~200%。因此,在非晶变结构设计时应采取特殊的紧固措施,以减少铁心受力;另外避免采用以铁心作为主支承的结构设计方案;在整个生产制造过程中也应尽量轻拿轻放减少铁心受力。
(5)非晶合金的磁致伸缩程度比硅钢片高约10%,这直接影响到非晶合金变压器产品的噪音水平,普通非晶变会比同容量的硅钢片变压器高5~8分贝。在设计和生产过程中,不宜过度夹紧,否则将增大变压器的噪声。
八、非晶合金变压器的生产工艺流程
铁芯:外购―检测验收―存放待用
绝缘:纸板下料—冲剪—机械加工—手工装配—送线圈车间和装配车间
线圈: 低压线圈绕制―高压线圈绕制―线圈整形―线圈干燥―送装配车间
器身装配: 线圈和铁芯插装―器身绝缘装配―引线装配—半成品试验(测直流电阻、变比、开关连接组别等)
油箱:外购―清洗―送装配车间
总装:器身干燥处理—器身整理—真空注油—装外部零件 —补油试漏静放—成品试验—包装出厂
九、非晶变的性能特点
     1.铁心的导磁材料采用非晶合金。由于非晶合金不存在晶体结构并具有软磁特性,磁滞回线的面积很狭窄,磁化功率小,电阻率高,涡流损耗小,所以采用此材料制造的变压器的空载损耗和空载电流非常低。
     2.由于非晶合金比较脆、饱和磁通密度较低(约1.5T),所以非晶合金铁心的额定磁通密度一般为(1.3—1.4T)比冷轧硅钢片(1.6—1.7T)低。变压器铁心采用非晶合金带材一般卷制成三相五柱式结构,使变压器的高度比三相三柱的低。铁心截面为矩形,其下轭可以打开便于线圈的套装。当然由于非晶合金带材的厚度为0.02mm~0.03mm,只有硅钢片的1/10左右,非常薄、脆,并且对机械应力很敏感,因此装配时要注意轻拿轻放,避免因为过多的外力而增加产品的空载损耗和噪音。
     3.低压绕组除小容量(160kVA以下)采用铜导线以外,一般采用铜箔绕制的圆筒式结构;高压绕组采用多层圆筒式结构,使绕组的安匝分布平衡,漏磁小。高、低压绕组采用导线张力装置一起绕制成矩形线圈,并通过热压整形将线圈固化成一整体,以增强绕组的机械强度和抗短路的能力。
     4.器身装配、油箱结构、保护装置等采用不吊心结构,并采用真空于燥、真空滤油和注油的工艺,采用全密封油箱,没有储油柜等结构。
     5. SH15非晶变的负载损耗与S9系列常规油变的负载损耗相同,空载损耗非晶变SH15系列比S9系列下降70%左右;空载电流非晶变SH15系列比S9系列下降80%左右。
6.非晶变联结组采用Dyn11接法,减少了谐波对电网的影响,改善了供电质量。由于非晶变的铁心都是四框五柱式结构,在Yyn0结线的状态下,三相不平衡负载电流会引起三相电压的严重衡。
     7. 由于非晶变采用全密封结构,绝缘油和绝缘介质不与空气接触,在正常运行下不需要换油,这就大大降低了变压器维护成本和延长了使用寿命。并且可在潮湿的环境中运行,是城市和农村配电网络中理想的配电设备。
     8.虽然非晶合金变压器的有效成本比S9型平均上升了20%以上,其售价比S9型约高30%以上,但其比S9型同容量的变压器其空载损耗降低75%以上,年运行成本平均降低30%,通过年电能损耗,年电能损耗成本,年节电费的计算,一般在三到四年内可以收回它相对于硅钢片铁心变压器所增加的投资成本。
十、发展前景
变压器是输变电中的损耗大户,在配电网损耗中变压器损耗约占30%~60%,其中空载损耗约占变压器损耗的50%~80%,因此推广高效节能的变压器是电网节能的重要途径。在配电网和新能源领域,预计末来10年非晶合金变压器的总需求量将达12.7亿kVA,按每台315kVA计算约403台,市场规模达1613亿元。而09年非晶合金变压器市场规模才约17亿元,可以预见未来非晶合金变压器市场空间巨大,前景广阔。从2000年开始国内已可以批量生产非晶合金变压器了,但国家电网一直没有大力推广,主要是考虑上游原材料(即非晶合金带材)供给不足,价格高;而且行业的垄断利润是被外资企业(日本日立金属公司)获取。目前我国安泰科技公司的非晶合金带材已量产成功,产能4万吨/年,打破了日立金属的垄断地位。随着安泰科技公司的产能释放,非晶合金带材的供给瓶颈以及核心技术被国外垄断的问题都将解决,这大大有利于推广非晶合金变压器。此外,我国2004年、2006年、2010年先后出台了一些政策法规及强制性国家标准,加强节能减排工作,也使各省市政府职能部门及电力企业充分认识到加强节能减排工作的重要性和紧迫性,加强了高效节能变压器的推广力度。非晶合金变压器属高新技术,绿色环保节能产品,国家已将非晶变列为“十一.五”期间重点推广项目。