淺議非晶合金干式變壓器幾個關鍵問題

郭偉　李洪偉

摘 要：變壓器在輸電和變電過程中的損耗非常大，約占整個配電網損耗的一半，甚至有時還會高出一半。非晶合金變壓器的誕生，使得這種損耗得以被大幅度降低，同時更是提高了輸變電的效率。該文以非晶合金材質的干式變壓器作為切入點，探討它的特性、工藝、原理等多個關鍵性問題。

關鍵詞：非晶合金 干式變壓器 噪聲控制 節能經濟

中圖分類號：TM412 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0098-01

我國是能源消耗大國，無論是電能還是石油能源，還有許多其他資源，每日都被大量消耗著。為此，國家制定了節能環保政策，并出臺了一系列措施。傳統的變壓器因其材質和工藝問題，會在輸變電過程中發生嚴重的損耗。為此，國家在不斷的探索中發現了一種新式變壓器——非晶合金材質的變壓器，這種變壓器可以通過金屬與非金屬元素的混合，使得“鐵芯”具有更低的損耗率和磁滯率，這是一般變壓器所無法媲美的優越性。當前，我國發改委已經將其列為重點推廣產品。

1 非晶合金變壓器中的干式變壓器

非晶合金變壓器與傳統變壓器一樣分為干、油兩種。由于該文以干式為研究對象，因此在此處就不花費篇幅對油浸式進行過多描寫。非晶合金材質的干式變壓器，其型式有兩種，分別為環氧澆注式及敞開式，其中尤以前者適用范圍更加廣泛。環氧澆注型的非晶變壓器，因其“鐵芯”的材質和結構與一般變壓器不同，因此造成二者在性能上也有了非常大的差異。究其結構可以發現，非晶變壓器的“鐵芯”其截面為矩形，多為三相四框五柱形態，由箔繞式的低壓繞組、線繞式的高壓繞組組成，并使用環氧樹脂將其澆筑為矩形結構[1]。非晶干式變壓器具有非常高的優越性，不但與傳統干式變壓器一樣難燃、阻燃，還具有非常高的穩定性，且不必經常維護，可以說非常節能經濟。而非晶干式變壓器極少的缺點之一，就是噪聲問題，也可以利用工藝進行解決。

2 非晶變壓器在節能經濟性上的具體體現

傳統干式變壓器的“鐵芯”材料是硅鋼，這種材料使得傳統干式變壓器在空載時產生了極大的損耗，大大地浪費了電能。而使用了非晶合金這種新式材料后，非晶變壓器可以使空載電流大幅度降低，使節能效果上升了近80%。比較節能效果，是當前最為理想的配電變壓器之一[2]。眾所周知，變壓器的有效周期壽命大約在三十年，在使用周期中，其運行成本遠遠高于制造成本，而運行成本中，占據比例最大的就是能耗，即空載損耗和負載損耗。非晶合金變壓器的使用，使得電力的利用率更高、能源被節約，運行成本得以顯著下降，帶來了更高的經濟效益。

我國多為火力發電，煤炭與石油在使用過程中造成了極大的污染。而非晶變壓器的投入使用，使得二氧化碳、二氧化硫等氣體的排放大大減少，社會效益與生態效益都有了明顯的提高。尤其是農村及經濟欠發達地區，這種節能性和經濟性就體現的更加明顯了。

3 非晶變壓器的特性

若要分析非晶干式變壓器的特性，則要首先了解非晶合金材料的特性。通過研究，我們發現非晶合金是一種性質比較特殊的軟磁材料，它由金屬和非金屬元素構成，按照一定比例在熔融狀態下進行超速冷卻而產生的帶狀金屬。對比冷軋工藝下生產的硅鋼材料，可以發現非晶合金材料的性能在如下幾個方面具有極高的優越性[3]：第一，非晶合金具有各向均同性的特點；第二，3微米的超薄厚度，具有非常低的填充系數；第三，同單位的非晶合金與硅鋼相比，前者損耗率僅為后者的三分之一；第四，非晶合金具有較高的電阻率，渦流損耗非常低；第五，節能環保無污染，工藝簡單。以上五個優點使得以非晶合金材料作為“鐵芯”的新型干式變壓器也擁有了這些優點，不但節能環保，性能也是更加優越。

非晶合金材料除了上述五項優點，還有其他特征，如硬度大難以切割、處理時必須進行退火操作、性脆易碎以及容易受到機械應力的影響而無法正常發揮性能等。對此，只好從工藝和設計方面進行改進。

4 非晶合金干式變壓器的電磁設計

非晶合金變壓器與傳統硅鋼變壓器沒有明顯的不同，主要的區別就是前文所提到的截面的形狀是矩形開口卷狀。非晶變壓器的“鐵芯”結構有三相三柱與三相五柱兩類，其中三相五柱的性能更好。

5 非晶合金干式變壓器的噪聲控制

非晶變壓器的“鐵芯”會在使用中發生磁致伸縮，從而產生噪聲。而非晶合金材料的性質決定了非晶變壓器會對機械的應力極其敏感，一旦受到外力，磁致伸縮的結果要比硅鋼高十分之一，進而噪聲也會更大。因此，在設計時，應該注重設計“鐵芯”的抗力，以免對其磁性能造成嚴重影響。由于JB/T行業標準無法適用于非晶變壓器的噪聲規定，因此，非晶變壓器的最大聲級限值只能由制造商及使用者進行商討來確定真正適合的數值。目前，按照來自市場與用戶的反饋，可以確定，2 500千伏安之下的非晶變壓器，其聲級限值不得超過65dB。

5.1 參數設計

（1）磁通密度。

非晶合金變壓器的噪聲控制，要設置許多參數，磁通密度就是其中之一。根據現有研究成果可知，非晶合金材料其磁通密度的飽和限度約為1.5T，而硅鋼比非晶高0.5T。若要使二者的磁致伸縮程度不相上下，則要保證非晶合金變壓器在工作狀態的磁通密度更低，即增加非晶合金變壓器的截面面積、降低了“鐵芯”的質量。這樣做盡管在一定程度上會增加噪聲，但增加結果依然符合國家制定的關于變壓器的噪聲要求[4]。一般來說，在企業自身工藝水平能夠達到的前提下，保證非晶變壓器工作狀態下的磁通密度不得超過1.25T。

（2）磁化容量。

若要降低噪聲，可以將“鐵芯”按照單位進行磁化容量的降低。鑒于磁化容量與損耗相互制約，因此，要采用特殊的工藝來使單位磁化容量降低。即，在不影響空載損耗情況的同時，將損耗掉的性能變為磁化性能。而這個工藝的系數，要經過一點點的試驗才能找到。

5.2 結構優化

借助專門的分析軟件為非晶變壓器進行錄入數據、建立模型操作，計算出其振動模態及升學模態的共振頻率，然后針對這兩項進行針對性的結構設計，以降低這些模態的頻率，以免這兩種模態頻率和變壓器自身帶有的勵源頻率相疊加，造成更多的振動能量向輻射向轉化[5]。需要注意的是框架的設計，盡量留出適量的空裕度，或者加入墊子和吸引材料，以免夾件的框架與“鐵芯”發生碰撞摩擦而產生噪音。

綜上所述，該文從非晶合金干式變壓器的特性、優點、電磁設計、噪聲控制等多個方面進行了較為全面的分析，介紹了非晶合金干式變壓器的優缺點，望對希望改善非晶變壓器功能的相關工作者起到參考作用。

參考文獻

[1] 左靜，周易，陶英.非晶合金變壓器的發展及應用[J].科技與企業，2012（12）.

[2] 陳潤本.非晶干式變壓器的應用分析[J].科技信息，2012（27）.

[3] 劉燕，黎劍鋒，蔡定國.非晶合金干式變壓器的特點及性能分析[J].電氣制造，2007（4）.

[4] 劉燕，唐金權，張建軍.非晶合金干式變壓器幾個關鍵問題[J].變壓器，2007（6）.

[5] 陳新周，林知音.淺談非晶合金鐵芯變壓器的發展與應用[J].機電工程技術，2011（8）.