非晶合金铁心变压器

摘 要: 介绍了非晶合金铁心变压器的5种铁心结构方案。针对该变压器设计中的问题提出了解决方案，并对其进行了价格评估。
关键词: 非晶合金 变压器 铁心 设计 评估
1、序言
从50年代发展起来的非晶合金，作为一种高效节能型材料，进入90年代后，在配电变压器上步入了实用化阶段。迄今为止，全球已有60万台非晶合金铁心变压器（以下简称非晶变压器）在电网上运行，其中运行时间最长的已达20年。实践证明，非晶变压器性能稳定可靠，节能效果显著，是配电变压器理想的更新换代产品。本文将着重讨论非晶合金铁心变压器的有关问题。
2、非晶变压器的铁心结构
利用导磁性能出众的非晶合金来制造变压器的铁心，能获得很低的损耗值。但是，非晶合金的下述特性，却给变压器的设计和制造带来了很多困难。
（1）非晶合金的硬度过高，制造上最大的难题是如何切割非晶合金铁心片。用常规的切割工具来加工它，刀具的磨损率将是切割硅钢片时的1000倍，所以在设计时应尽量减少切割量。
（2）非晶合金铁心片的厚度极薄，约0.025mm厚，几乎不到硅钢片的十分之一。材料表面也不是很平坦，用它制成铁心，填充系数较低，仅为80%。
（3）非晶合金对机械应力非常敏感。变压器在结构上需采取特殊紧固措施，减少铁心受力。应避免采用以铁心作为主承重结构件的传统设计方案。
（4）为了获得良好的损耗特性，非晶合金铁心片必须进行退火处理。这增加了铁心制造的工序。制造时应尽量将铁心片受力的操作安排在退火之前。
（5）非晶合金退火之后的韧性和脆性（易碎）也是设计制造时需关注的问题。
考虑到非晶合金的上述特点，传统的铁心结构必须加以改变，以便使非晶变压器既能获得良好的性能，又能方便地制造。下面介绍几种铁心结构方案供参考。
2.1 叠环式卷铁心
先用带材卷成不同尺寸的环，然后将这些环叠成铁心，并使得铁心柱的截面接近圆形，见图1。

这种结构曾在大型壳式变压器中使用。从经济角度出发，一般每个框宜采用5-9个环，填充系数在84%-90%之间，绕组通过分裂圆筒直接绕制在铁心上。
叠环式卷铁心的优点是铁心性能优良，在绕组绕制和组装等过程中铁心受力很小，其强度也很高；缺点是为防止铁心受力，铁心和绕组的夹紧结构复杂。
2.2单环式卷铁心
这种结构被应用于自耦变压器和互感器中，见图2。

这种结构的铁心是用带材直接连续绕成圆环形，不切割。绕组利用绕线梭直接绕制在环形铁心上，截面是矩形。绕组支撑在铁心环的边缘上，铁心受力很小。
单环式卷铁心性能极佳，近似于理想状态。但采用这种结构需专用的设备，较费工时，并且只适合15KVA左右的小容量变压器。
2.3 气隙分布式卷铁心
先把带材卷成圆环，然后压扁，再进行切割整理，使接缝形成阶梯形分布。铁心退火后，把接缝处分开，装入矩形绕组后，将铁心重新恢复成原样。铁心外观与接缝形式见图3。

气隙分布式卷铁心的性能比前面两种差，这是由于铁心接缝的分开和重新恢复所造成的。另外，铁心切割时，需使用专用的切割设备。
2.4 搭接式卷铁心
同“气隙分布式卷铁心”类似，区别在于它们的接缝形式。
气隙分布式卷铁心在接缝处片与片之间两端对齐（参见图3），而搭接式有额外的搭接长度，上下重叠，它的接缝示意图见图4。

搭接式结构的材料利用率比“气隙分布式”要低5%。搭接处铁心厚度的增加也会增大油箱尺寸和用油量。绕组同样采用矩形结构。
2.5 叠片式铁心
惯用的叠片式铁心有直接缝和各类斜接缝等多种形式。当铁心采用硅钢片制造时，斜接缝铁心的性能比直接缝好。但对非晶合金而言，因其各向异性现象很少，所以两种接缝形式的铁心性能差距并不大。另外，采用直接缝的显著优点是铁心加工时所需的切割量比斜接缝少得多，每片仅需切割一次。
直接缝铁心叠积图如图5所示。

表1为上述5种铁心结构的对照表。从表1中可看出，在目前采用搭接式卷铁心是一种兼顾各类因素的合理选择。
3、非晶变压器设计中的一些问题
3.1 联结组
通常，非晶合金的卷铁心采用四框五柱式，有两个旁轭可供磁通中的高次谐波或零序分量流通。所以，采用小容量配电变压器中常用的YynO 联结法是不合适的，必须采用Dyn11联结法。
3.2 标称磁通密度的确定
四框五柱式卷铁心在励磁时，磁通流经4个铁心框，有不对称分布现象存在。这使某些局部磁通由于受不对称分布产生的高次谐波叠加的影响而发生畸变，从而引起局部磁感应超饱和，导致损耗迅速上升。因此，设计时，标称磁通密度不宜定得过高。
3.3 工艺系数
变压器制造过程中，4个铁心框在与绕组装配时，需经历打开接缝、套装绕组及再连接接缝等一系列使铁心受力的操作，从而造成装配后损耗比裸铁心时有所增加。设计时，应考虑这个增加值，理论上用工艺系数来表示。它同铁心与绕组的组合方式以及操作工人的经验和技能等诸多因素有关，一般取值范围应在1.08~1.15之间。
3.4 铁心受力
铁心中产生的应力分静态和动态两种。静态应力一部分来自于铁心自重，另一部分是在装配时产生的。动态应力则来自于变压器的短路电动力。
非晶合金铁心的损耗与合金带表面压力相关度很大，损耗会随着压力的增大而迅速上升。因此，应选择合理的装配结构，使铁心表面压力维持在低于某一允许值。
变压器短路时产生的冲击性电动力，如直接作用于铁心，铁心是无法承受的。在设计时应考虑让低压绕组自保持，不给铁心太大的压力。制造上可采取对绕组压紧固定等方法，尽量减少其短路时径向尺寸的内缩或外扩。
3.5 噪声
变压器的噪声源于变压器铁心在交变磁通下磁致伸缩而引起的振动。决定噪声高低的主要因素是铁心中的磁通密度和铁心的夹紧程度。由于非晶合金的磁致伸缩程度比硅钢片高约10%，而且非晶合金铁心不适宜过度夹紧，因此，非晶变压器的噪声将高于硅钢片变压器。
欧洲的电力部门曾做过两类变压器的噪声比较试验，结果显示，非晶变压器的声级比同类规格的硅钢片变压器高6-8dB。当然，这是可以接受的，因为它仍在欧洲环境规程对噪声的要求之内。
这意味着，尽管非晶变压器的噪声较高，但它高得并不多，不至于影响环境，也不会超过相关环境标准中的要求值。
4、非晶变压器的价格评估
非晶变压器的价格十分令人关心，因为它是这门新技术能否被广泛采用的前提。
使用非晶变压器的首次投资额较高，吸引用户购买的关键因素是它的超低损耗特性，它能使用户的长期支出下降。有些地区的电价较高，用户从长远支出考虑，会购买非晶变压器。某些地区的电力部门假如正打算新建电厂来增加电能供应，他们会发现通过使用超低损耗的非晶变压器来降低线路损耗或许会比建设新厂更有效益。
从1981年起，国外出现了变压器损耗评估的概念，并将其用于变压器招标采购过程中。对产品的价格和性能进行综合评估，目的是获取最大的使用效益。目前这种评估方法已被广泛采用。
1台变压器一定寿命期的总使用成本称为TOC（Total Owning Cost)，它由下式计算:

式中 C—变压器的售价，元
—变压器的空载损耗，W
—变压器的负载损耗，W
—空载损耗的投资系数，元/W
—负载损耗的投资系数，元/W
从上式可知，值越大，的降低对TOC的降低所起的作用越大。
现以国内市场400kVA的变压器为例，分别计算损耗水平为S9的常规变压器和非晶变压器的TOC值，作一比较（两者的负载损耗定为一致）。
容量:400kVA。
损耗指标:对S9常规变压器，空载损耗800W，负载损耗4，300W:对非晶变压器，空载损耗170W，负载损耗4，300W。
市场参考售价:S9常规变压器为50，000元，非晶变压器为65，000元。两者价格比为1.3倍。
电价: 1kW.h均按0.6元计费。
运行期限按5年计算时得出如下K值:
K = KO = KL = 0.6x5x365x24/1，000 = 26.3元/W
S9常规变压器:
TOC = 50，000+26.3x800+26.3x4，300=184，130元
非晶变压器:
TOC = 65 000+26.3x170+26.3x4，300=182，561元
（注:因银行利率较低，时间较短，故忽略利率因素）
从上面的TOC计算结果可知，运行5年后，非晶变压器的TOC值已略低于S9常规变压器（相差1，569元）。也就是说，按1.3倍的价格比，若采用非晶变压器，5年内可回收首次投资增加额，从第6年起，可享受非晶变压器的超低损耗带来的巨大收益。
5年的时间对变压器来说，只是它寿命的四分之一。这说明，若非晶变压器的价格能控制在常规变压器的1.3倍以内，那么它不但能被市场所接受，而且是颇具竞争力的。随着非晶变压器生产规模的扩大和电价的上涨（K值上升），非晶变压器将获得更低的TOC值。
5、技术发展趋势
（1）非晶合金的原子排列及其结构关系至今还没有被人们完全了解。当研究进一步深入时，可期待制造出导磁性能更加优异的非晶合金。
（2）自普莱纳铸造法发展以来，已经获得了实用性较强的非晶合金带材。随着制造技术的进一步提高带宽将越来越宽，材料表面质量也将被提高，从而能获得较高的填充系数，降低产品的成本。在理论上，非晶合金片的生产仅有一道工序（将熔化的金属直接急速冷却成带材），而硅钢片的生产工序多达二十余道，因此，非晶合金片的生产成本有低于硅钢片的可能。
（3）由多层非晶合金薄片组合而成的用于叠片式铁心的预制非晶合金叠片条现已研制成功，它的尺寸范围正在逐步扩大。它的出现，可使普通的叠片式变压器生产厂家只利用老设备就能生产出非晶变压器，并且，非晶变压器的容量将有可能逐渐增大。
（4）随着非晶变压器的市场的地位的提高，将会出现用于非晶变压器生产的专用设备，如铁心自动绕制装配流水线和高效切割设备等，从而提高工效，缩短生产周期，提高产品质量，降低产品成本。
6、结束语
非晶变压器的研制已逐步受到各变压器生产商的重视，国内已有少量的非晶配电变压器和非晶箱式变电站投入运行，但是，成本的居高不下始终成为开发商的一大难题。目前，非晶变压器的市场售价一般为常规变压器的1.4~1.6倍，技术水平领先的厂商能控制在1.3倍以下。可以预见，随着美国联信公司生产专利保护期结束，其他非晶合金的生产商将通过竞争创造出有利于市场发展的价格。随之而来是更先进的生产和设计技术，它们将使非晶变压器的价格降至常规变压器的1.2倍以下，从而使具有更低TOC值的非晶变压器迅速占领市场。