超高效节能配电变压器的开发和铁芯材料的发展
2006-12-11 10:04:49
来源：《国际电子变压器》2006年12月刊
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本文介绍日本为完成1997年“京都议定书”对其温室气体减排量的指标要求，大力开发应用超高效节能配电变压器（DT）和铁心材料的发展情况。
1 DT新标准
1999年公布新的配电用6KV级变压器国家技术标准：油浸式JISC4304—1999（代替1977年标准）；干式JISC4306—1999（代替1991年标准）
2000年电机工业协会出台高效率变压器特性基准值行业标准：油浸式JEM1474—2000（代替JEM1392—1981）；干式JEM1475—2000（代替JEM1424—1986）
2001年把“超高效节能变压器”纳入“节能法特定机器（顶级运行方式）”范畴，2002年提出12种“顶级运行型变压器”的能源消费效率目标基准值及其实施要求。油浸式标准为JEM1482；干式标准为JEM1483。凡购买和使用顶级运行型变压器者可免税或获得补贴，该目标基准与现行标准特性比较见图1。由图可见顶级运行的要求比上述现行国标（JIS）和行业标准（JEM）都要高。
2高效节能变压器的开发
正在使用的油浸式配电变压器(DT)有五种:
①25年前的硅钢铁心变压器（SiFeDT）-JISC4304-1977
②现行标准的SiFeDT-JISC4304-1999
③电机工业协会制定的高效SiFeDT- JEM1474—2000
④各公司生产的超高效SiFeDT
⑤标准的和超高效的非晶铁心变压器（AMDT）
在现行的五种变压器中，只有用极低损耗的细畴高取向硅钢及铁基非晶合金做铁心的超高效SiFeDT（顶级运行标准品B）和AMDT（顶级运行标准品A及超高效型二种）能达到顶级运行型的要求（见图2和3）。
到2010年，日本高效节能变压器数量将达1000万台，其中AMDT的数量将达1/3。1998年以前AMDT的数量发展见图4，AMDT现在的销量已超过DT总量的20%。
3关于“顶级运行”型配电变压器标准及其实施
由日本综合资源能源调查会和日本电机工业协会等单位于2002年颁布的“顶级运行”型配电变压器能源消费效率目标基准值标准如下：
①适用范围：油浸式和干式变压器
单相10～500KVA；三相 20～2000KVA；高压 6KV、3KV；低压 100V～600V。
②目标基准值：电源频率50HZ、60HZ，基准负荷率（β） ：500KVA以下 β=40%；500KVA以上 β=50%
能源消费效率的目标基准值计算公式见表1
③产品分二类：
标准品：按表1计算的E值
准标准品：油浸式 1.10E；干式 1.05E
④实现年限要求：
油浸式（JEM1482） 2006年4月；干式（JEM1483）2007年4月。
4超低损耗铁心材料的开发
在日本不同资料中变压器的空载损耗（P0）可以占总损耗的1/2、3/5或3/4，即P0都要占一半以上，因此选择低损耗的铁心材料是非常重要的。
为配合超高效节能变压器的开发和满足顶级运行型变压器的要求，近年来为发展超低损耗铁心材料有如下重大措施：
①2000年公布新的取向SiFe国家标准（JISC2553-2000）
日本的取向SiFe国家标准经历如下发展：
1975年标准（JISC2553-1975）特点是只有0.3和0.35mm厚普通取向SiFe的品种（即Z级取向SiFe）。
1986年标准（JISC2553-1986）的特点是增加了0.27mm厚和高取向Hi-BSiFe的品种（即ZH级取向SiFe）。最高级牌号为27P100（0.27mm厚高取向SiFe）P17/50≤1.00W/Kg
2000年标准特点是增加了0.23mm厚和细畴化高取向SiFe（即ZDKH级和ZDMH级）的品种，损耗最小的牌号为23R085（0.23mm厚细畴高取向SiFe）P17/50≤0.85W/Kg。
②经济产业省拨款数亿日元，要求在2002～2004年间加强对配电变压器铁心用细畴化高取向SiFe的开发和应用。
细畴化高取向SiFe早在1983年就问世，但到2000年才纳入国标，这期间这类损耗和λs（噪音）最小的钢种主要用作大型电力变压器铁心，上世纪九十年代后半期才开始用于功率比较小的配电变压器铁心。
现在日本的取向SiFe产量为硅钢总产量的20%，约有40万吨，其中一半是HiB高取向硅钢，而配电变压器铁心几乎全用0.3mm厚以下的高级HiB硅钢，超高效SiFeDT则用0.23mm厚细畴高取向硅钢，但其生产数量不详。
如果所有DT全用ZDKH（或ZDMH）做铁心，据称年电力能耗将减少20%。
③经济产业省还拨资数十亿日元开发超低铁损的配电变压器铁心材料，要求它的损耗为现用取向硅钢的1/10，为 Fe基非晶合金的1/2。这种新材料为高Bs的Fe基纳米晶软磁合金，其实用化后将使CO2减排107万吨/年。
④2003年日立金属公司两大措施：
a.投资三十多亿日元扩大铁基纳米晶软磁材料（FeNbCuSiB系Finemet型合金）产量，Finemet型合金为该公司于1988年发明，上世纪九十年代初产量为1吨/月，上世纪九十年代中产量为30-50吨/月，2003年后将达120吨/月。2002年产值为20亿日元，2006年将达120亿日元。
b.以5000余万美元收购美国Honewel公司的非晶金属事业部，包括在美国和印度的两个Fe基非晶合金万吨级生产厂及其大生产技术、Metglas商标、360个职工、80%的用户。另外还占有日美合资非晶公司-NAMCO股份50%。2002年Metglas的销售额为40亿日元，到2007年非晶和纳米晶软磁材料及其制品的产值将达200亿日元。
如此看来，Bs高、损耗最小的变压器铁心材料，无论是晶态的细畴高取向硅钢，还是铁基非晶态合金，以及将来可能的纳米晶软磁材料的大生产技术都将为日本垄断。
1 DT新标准
1999年公布新的配电用6KV级变压器国家技术标准：油浸式JISC4304—1999（代替1977年标准）；干式JISC4306—1999（代替1991年标准）
2000年电机工业协会出台高效率变压器特性基准值行业标准：油浸式JEM1474—2000（代替JEM1392—1981）；干式JEM1475—2000（代替JEM1424—1986）
2001年把“超高效节能变压器”纳入“节能法特定机器（顶级运行方式）”范畴，2002年提出12种“顶级运行型变压器”的能源消费效率目标基准值及其实施要求。油浸式标准为JEM1482；干式标准为JEM1483。凡购买和使用顶级运行型变压器者可免税或获得补贴，该目标基准与现行标准特性比较见图1。由图可见顶级运行的要求比上述现行国标（JIS）和行业标准（JEM）都要高。
2高效节能变压器的开发
正在使用的油浸式配电变压器(DT)有五种:
①25年前的硅钢铁心变压器（SiFeDT）-JISC4304-1977
②现行标准的SiFeDT-JISC4304-1999
③电机工业协会制定的高效SiFeDT- JEM1474—2000
④各公司生产的超高效SiFeDT
⑤标准的和超高效的非晶铁心变压器（AMDT）
在现行的五种变压器中，只有用极低损耗的细畴高取向硅钢及铁基非晶合金做铁心的超高效SiFeDT（顶级运行标准品B）和AMDT（顶级运行标准品A及超高效型二种）能达到顶级运行型的要求（见图2和3）。
到2010年，日本高效节能变压器数量将达1000万台，其中AMDT的数量将达1/3。1998年以前AMDT的数量发展见图4，AMDT现在的销量已超过DT总量的20%。
3关于“顶级运行”型配电变压器标准及其实施
由日本综合资源能源调查会和日本电机工业协会等单位于2002年颁布的“顶级运行”型配电变压器能源消费效率目标基准值标准如下：
①适用范围：油浸式和干式变压器
单相10～500KVA；三相 20～2000KVA；高压 6KV、3KV；低压 100V～600V。
②目标基准值：电源频率50HZ、60HZ，基准负荷率（β） ：500KVA以下 β=40%；500KVA以上 β=50%
能源消费效率的目标基准值计算公式见表1
③产品分二类：
标准品：按表1计算的E值
准标准品：油浸式 1.10E；干式 1.05E
④实现年限要求：
油浸式（JEM1482） 2006年4月；干式（JEM1483）2007年4月。
4超低损耗铁心材料的开发
在日本不同资料中变压器的空载损耗（P0）可以占总损耗的1/2、3/5或3/4，即P0都要占一半以上，因此选择低损耗的铁心材料是非常重要的。
为配合超高效节能变压器的开发和满足顶级运行型变压器的要求，近年来为发展超低损耗铁心材料有如下重大措施：
①2000年公布新的取向SiFe国家标准（JISC2553-2000）
日本的取向SiFe国家标准经历如下发展：
1975年标准（JISC2553-1975）特点是只有0.3和0.35mm厚普通取向SiFe的品种（即Z级取向SiFe）。
1986年标准（JISC2553-1986）的特点是增加了0.27mm厚和高取向Hi-BSiFe的品种（即ZH级取向SiFe）。最高级牌号为27P100（0.27mm厚高取向SiFe）P17/50≤1.00W/Kg
2000年标准特点是增加了0.23mm厚和细畴化高取向SiFe（即ZDKH级和ZDMH级）的品种，损耗最小的牌号为23R085（0.23mm厚细畴高取向SiFe）P17/50≤0.85W/Kg。
②经济产业省拨款数亿日元，要求在2002～2004年间加强对配电变压器铁心用细畴化高取向SiFe的开发和应用。
细畴化高取向SiFe早在1983年就问世，但到2000年才纳入国标，这期间这类损耗和λs（噪音）最小的钢种主要用作大型电力变压器铁心，上世纪九十年代后半期才开始用于功率比较小的配电变压器铁心。
现在日本的取向SiFe产量为硅钢总产量的20%，约有40万吨，其中一半是HiB高取向硅钢，而配电变压器铁心几乎全用0.3mm厚以下的高级HiB硅钢，超高效SiFeDT则用0.23mm厚细畴高取向硅钢，但其生产数量不详。
如果所有DT全用ZDKH（或ZDMH）做铁心，据称年电力能耗将减少20%。
③经济产业省还拨资数十亿日元开发超低铁损的配电变压器铁心材料，要求它的损耗为现用取向硅钢的1/10，为 Fe基非晶合金的1/2。这种新材料为高Bs的Fe基纳米晶软磁合金，其实用化后将使CO2减排107万吨/年。
④2003年日立金属公司两大措施：
a.投资三十多亿日元扩大铁基纳米晶软磁材料（FeNbCuSiB系Finemet型合金）产量，Finemet型合金为该公司于1988年发明，上世纪九十年代初产量为1吨/月，上世纪九十年代中产量为30-50吨/月，2003年后将达120吨/月。2002年产值为20亿日元，2006年将达120亿日元。
b.以5000余万美元收购美国Honewel公司的非晶金属事业部，包括在美国和印度的两个Fe基非晶合金万吨级生产厂及其大生产技术、Metglas商标、360个职工、80%的用户。另外还占有日美合资非晶公司-NAMCO股份50%。2002年Metglas的销售额为40亿日元，到2007年非晶和纳米晶软磁材料及其制品的产值将达200亿日元。
如此看来，Bs高、损耗最小的变压器铁心材料，无论是晶态的细畴高取向硅钢，还是铁基非晶态合金，以及将来可能的纳米晶软磁材料的大生产技术都将为日本垄断。
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