非晶合金變壓器的特點及節能環保優勢分析

王建發

（福建億山電力工程有限公司，福建 福州 350000）

1 非晶合金變壓器簡介

1.1 發展歷程

非晶合金是一種全新的導磁材料，是非晶態金屬或合金從液態急速冷卻時，因金屬原子來不及有序排列結晶，由此得到的固態合金不再是長程有序、周期性和規則的排列，而是處于一種長程無序排列狀態，以該材料作為鐵芯制作出的變壓器就是非晶合金變壓器[1]。20世紀80年代初，美國首次推出15 kVA非晶合金變壓器，至20世紀90年代初，美國電力委員會組織了設計、生產和運行等相關機構，由以上機構共同以商業化的形式對非晶合金變壓器產品進行技術研發、流程化處理，充分驗證其可靠性后，非晶合金變壓器才真正得以量產。

目前，非晶合金變壓器已在全世界廣泛應用于配電網中。美國、加拿大、日本等發達國家均采用大量的非晶合金變壓器。從2000年開始，日本已逐步提高非晶合金變壓器在配電網中的使用比例。并從2005年開始，日本的配電變壓器都需要采用非晶合金變壓器，而相對耗能的硅鋼片變壓器將徹底從配電領域中淘汰。

1.2 國內市場

我國的非晶合金變壓器生產工作開始自1998年，經歷20多年以后，當前全網掛網運行的非晶合金變壓器已經達到數萬臺，容量自5 kVA～1 600 kVA，在形式上包括了配變與箱式變2種類型，而如今社會對節能減排的強調也使非晶合金變壓器的應用前景一片光明[2]。

目前，隨著國家電網全面建設智能化城鄉配網，與之配套的智能電網設備、控制系統也將迎來快速增長期，這也為非晶合金變壓器提供了良好的市場空間，高能耗的配電變壓器已不符合提質增效及節能減排的需求，傳統的普通硅鋼片變壓器也將無法適應技術升級、更新換代需求，未來將逐步被節能、環保的非晶合金變壓器所取代。

2 非晶合金變壓器的特點

2.1 材料特點

非晶合金是一種厚度僅為 0.03 mm的軟磁性材料。它是非晶態金屬或合金原料在熔融狀態下經過超急速冷卻（冷卻速度 10-7℃/S）而成的帶狀金屬。與普通硅鋼片相比，非晶合金材料具有以下8個特點：1）各向同性的軟磁材料。2）單位鐵損低，比硅鋼片下降了 70%～80%。3）厚度僅為 0.03 mm，填充系數低。4）電阻率高，渦流損耗小。5）制造工藝大大簡化，節能，無污染。6）硬度大，切割要求高。7）必須進行退火處理，易碎。8）對機械應力敏感，受力后會影響性能。非晶合金材料以其優異的導磁性能和低損耗優勢，給變壓器鐵芯制造領域帶來了技術革新。

2.2 環保節能特點

在環保方面，油浸變壓器采用非晶合金鐵芯可有效降低CO、SO以及NO等有害氣體排放，對大氣污染程度低，可稱之為 21世紀電力產品中的“綠色產品”。

低空載損耗是非晶合金變壓器最顯著的特性，具有明顯的節能效果。由于非晶合金材料高導磁率，所以非晶合金變壓器空載損耗比普通硅鋼片低。容量為80 kVA的非晶合金變壓器空載損耗為60 W，而容量為80 kVA傳統SC10型變壓器空載損耗達到220 kW。由于優異的節能效果，可大量應用于配電網中，減少電能損耗，進而提高經濟效益。

非晶合金帶材的磁致伸縮系數比冷軋硅鋼大，如果沒有采取特殊降噪措施的非晶合金變壓器的噪聲普遍比硅鋼變壓器要大。因此在設計應該考慮噪聲污染，采取相應的降噪措施，例如改良非晶鐵芯，或在噪聲傳遞過程中采取降噪措施。隨著非晶合金變壓器制造技術的不斷成熟，噪聲問題也已逐步得到解決。

2.3 綜合成本特點

由于非晶合金變壓器采用了工藝復雜新材料、新技術，因此其產品初始價格較傳統變壓器高，非晶合金變壓器價格一般是普通硅鋼片同容量S9型的1.3倍左右。由于其節能效果顯著，運營成本較低，因此在全壽命周期內綜合使用成本低于傳統變壓器。

2.4 結構性能特點

非晶合金變壓器采用全密封式結構，不僅結構緊湊，而且能延緩變壓器油和絕緣紙的老化，具有運行效率高、免維護的優點。其低壓繞組為箔繞式，抗短路能力強，結構先進合理。由于其優良的結構特性，因此非晶合金變壓器的性能非常穩定。

3 非晶合金變壓器的節能分析

3.1 鐵芯性能比較

非晶合金變壓器以鐵基非晶態金屬作為鐵芯，鐵基非晶態金屬主要以鐵、鎳、鈷等金屬組成，并加入少量的硼、硅等元素所制成的合金，具有良好的鐵磁性。傳統硅鋼片制造工藝與非晶態合金薄帶的制造工藝有很大區別，傳統工藝制作硅鋼片需要經歷鍛造、冶煉、鍛打以及傾軋等工序，但非晶態合金薄帶的制作則是以近乎瞬間凝固液體，使之成為不超過0.027 mm厚度的合金薄帶，因此比傳統工藝至少節約了6～8道工序，能耗節省80%左右。另外，晶粒取向的硅鋼片成材率低，為40%～50%，而非晶合金成材率可達90%。非晶合金薄帶材具有優異的軟磁性能、硬度高等特點。非晶合金變壓器的鐵損比一般采用硅鋼作為鐵芯的傳統變壓器低70%～80%。

目前國內三相非晶合金變壓器鐵芯主要采用三相五柱和三相平面式卷鐵心式2種結構，其中10 kV級、容量500 kVA的小型變壓器通常采用以下三相五柱式結構，容量較大時采用疊放式結構。

表1 非晶合金與硅鋼片主要物理性能參數比較

3.2 鐵芯損耗比較

通常情況下由渦流損耗及磁滯損耗共同構成變壓器的空載損耗，磁滯損耗受磁滯回線包絡面積的正向影響，渦流損耗則同時受到電阻率的反比例影響與鐵芯材料厚度的正比例影響。就材料參數來看，非晶合金片在厚度上僅有27μm，而冷軋硅鋼片的厚度是其10倍以上，電阻率卻僅有前者的1/3，由此可見同是制作鐵芯，前者的渦流損耗比后者小得多。另一方面，冷軋硅鋼片磁滯回線包絡面積同樣遠遠超過非晶合金磁滯回線的包絡面積，這也使非晶合金鐵芯的磁滯損耗更小。結合上述內容來看，非晶合金帶材在軟磁性能上的表現非常優秀，其空載損耗能夠控制在一個非常小的范圍，僅為S9型硅鋼變壓器的20%。所以，非晶合金變壓器是非常優異的低損耗節能變壓器，非晶合金變壓器由于損耗低，發熱小，溫升低，因此運行性能非常穩定。

3.3 非晶合金站用變與傳統硅鋼片站用變節能比較

3.3.1 性能參數

非晶合金站用變與硅鋼片站用變節能比較擬采用變電站內常用容量80 kVA的變壓器，非晶合金變壓器和SC10型硅鋼片變壓器技術參數見表2。

表2 非晶合金變壓器與硅鋼片變壓器性能參數比較

3.3.2 變壓器損耗計算

變壓器損耗計算公式如下。

有功損耗：ΔP=P0+KT×β2×Pk。

無功損耗：ΔQ=Q0+KT×β2×Qk。

綜合功率損耗：ΔPZ=ΔP+KQ×ΔQ。

Q0=I0%×SN；Qk=Uk%×SN。

式中：P0為空載損耗，kW；Q0為空載無功損耗，kvar；Pk為額定負載損耗，kW；Qk為額定負載漏磁功率，kvar；SN為變壓器額定容量，kVA；I0%為變壓器空載電流百分比；Uk%為短路電壓百分比；β2為平均負載系數，對于站用變取75%；KT為負載波動損耗系數，取1.05；KQ為無功經濟當量（kW/kvar），取0.1 k W/kvar。

根據表2技術參數計算2種變壓器損耗值，見表3。

表3 非晶合金變壓器與硅鋼片變壓器損耗比較

計算可以得出，采用非晶合金變壓器與SC10型硅鋼片變壓器相比，節省能耗約20%。當站用變負載率低于75%時，其節能效果更加顯著。

4 采用非晶合金變壓器的LCC分析

4.1 LCC在變電站工程中的計算模型

LCC管理方式在電力系統中的應用同時考慮了壽命、可靠性等因素，并將經濟效益規納入財務成本及支出，因此在電力系統中的應用具有理想的合理性。

如果應用LCC在變電站中設計計算模型，其分析意味著大量具有高度可靠性、準確性及詳細程度數據的獲取，因此需要掌握設備運行情況、故障原因、故障產生次數、檢修維護費用等多種統計數據。但是我國對LCC的應用尚處于初級階段，難以獲取如此龐大的數據支持，因此可對實際應用方法進行優化，以計算LCC可算成本之間的差異抉擇最優方案。

4.2 非晶合金變壓器的LCC計算

為了便于分析，該文對非晶合金變壓器和SC10型硅鋼片變壓器的差異部分進行比較。為了方便計算，該節按1臺站用變費用差異計算。LCC計算根據變電站全壽命周期成本：LCC=Ci+Co+Cs+Cd，LCC計算方法包括總現值法、終值法、等額年金法等，該文采用總現值法進行分析計算。變電站工程全壽命周期成本LCC費用可分解為：

Ci為一次性投入成本。指在變電站正式投入運行以前所付出的一次性成本，包括設備購置成本、安裝投運成本。

Co為運行成本。指變電站運行期間所花費的一切費用的總和，包括運行維護成本、能耗成本、環境成本以及其他費用。

Cs為停運成本。指故障停運成本，指在非計劃停電或故障發生后中斷供電造成電量損失引起的直接經濟損失。Cd為處置成本。工程壽命周期結束后清理、回收、銷毀該工程所需要支付的費用。

LCC各項成本在計算、分析時都根據有關規程規定并結合運行經驗和運行習慣等進行計算，具體計算條件和方法如下：1）所列設備費參照國家電網省公司2019年招標價及廠家報價。2）2種站用變外部使用條件一致，只考慮由型號差異引起的費用差異。3）變電站運行人員的能力基準不需要進行額外培訓，因此能夠免除培訓支出。4）日常操作及巡視的費用差異可暫不計入運行成本。5）變電站使用壽命按30 a計算，站用變使用壽命按30 a計算。6）在計算費用折現時，年貼現率按8%計算。

4.2.1 一次投資成本（Ci）

一次投資成本的計算主要考慮非晶合金變壓器和SC10型硅鋼片變壓器設備費用差異，不考慮2種變壓器安裝費用差異。容量為80 kVA的非晶合金變壓器設備費用為2.5萬元，相同容量的SC10型硅鋼片變壓器設備費用為2.0萬元。非晶合金變壓器在一次性投入成本上高于傳統硅鋼片變壓器，單臺變壓器投資高出0.5萬元，即Ci=0.5萬元。

4.2.2 運行成本（Co）

一般來講，構成運行成本差異的內容包括維護成本、技改費用、設備質量及數量導致的能耗成本3個方面的差異。

4.2.2.1 能耗成本差異

計算條件：變壓器年運行小時數取8 760 h，電價按福建省普通工業電價0.71元/kW·h計取。

根據“3.3.2變壓器損耗計算”可知，單臺非晶合金變壓器與單臺硅鋼片變壓器相比，綜合功率損耗節省了0.25 kW，1 a總能量損耗節約費用1 554.9元。

30 a總能量損耗節約費用：

4.2.2.2 技改成本差異

具體運行成本計算內容：根據變電站設備實際運行情況，站用變的使用壽命為30 a，在變電站全壽命周期內，站用變按不更換考慮，不存在技改成本差異。

4.2.2.3 維護成本差異

非晶合金變壓器本身設計結構較為緊湊，并且在不用進行維護的情況下也能保持較高的運行效率，此外還具有升溫低、損耗低、發熱少且運行穩定的特點，因此從維護角度考慮，比傳統硅鋼片變壓器更能節省維護費用。

由于缺乏具體數據的支持，該節不對2種變壓器維護成本差異做量化分析。

綜上所述，運行成本差異C0=-1.7505萬元。

4.2.3 停運成本（Cs）

由于不方便量化，按Cs=0計算。

4.2.4 處置成本（Cd）

通常所說的處置成本需要從全生命周期的角度考慮，主要針對設備終止使用后的殘值及拆除費用2個方面的內容，其中殘值通常以設備整體費用的20%為基準。設備殘值=設備費×20%×（1+0.08）-30。非晶合金變壓器設備殘值0.04969萬元，SC10型硅鋼片變壓器設備殘值為0.03975萬元。綜上所述設備運行成本差異Cd=-0.00994萬元。

4.2.5 非合金變壓器與硅鋼片變壓器經濟性比較

通過2種變壓器的LCC比較，可以發現非晶合金變壓器雖然在一次投入成本（Ci）上高于傳統硅鋼片變壓器，但在運行成（Co）、處置成本（Cd）上低于傳統硅鋼片變壓器方案。綜合比較，非晶合金變壓器以其明顯的節能優勢，在全壽命周期內節省約1.2604萬元，見表4。

表4 經濟差異比較

5 環保效益評估

5.1 節能效益

以變電站的使用年限30 a計算，采用非晶合金變壓器，在工程全壽命周期內，單臺變壓器可減少電能損耗6.57萬kW·h，每年可節約電能損耗費用0.15549萬元，使用年限30 a內可節約電能損耗費用1.7505萬元（折現后），由此可見，使用非晶合金變壓器不僅具有較好的經濟效益，而且具有較好的節能效益。

5.2 環保效益

我國擁有眾多類型的發電廠，但主流發電形式仍以火力發電為主，主要是通過燃燒燃料獲得熱能進行發電，因此要實現二氧化碳排放量的控制，就需要減少化石能源的消耗量，并盡可能地使用可再生能源[3]。根據節能計算，30 a總能量損耗節約6.57萬kW·h，按以上減排公式可計算，工程全壽命周期內，可減少6.57萬kW·h×0.997=6.55×104kg“二氧化碳”排放。由此可見，非晶合金變壓器比普通硅鋼片具有優良的節能減排效益。

6 結語

該文運用LCC對非晶合金變壓器進行全壽命周期成本分析，經過以上比較得出，非晶合金變壓器比普通硅鋼片變壓器不僅技術可靠、空載損耗低、運行效率高以及免維護等優點，而且有較好的經濟效益，還有較好的節能減排的環境效益，符合綠色變電站的建設要求，滿足了變電站設計的“資源節約型、環境友好型、和工業化”的“兩型一化”的要求。因此，在設備選型時，優先選擇節能效果顯著的非晶合金變壓器。