非晶合金干式变压器的特点及性能研究

非晶合金干式变压器的特点及性能研究

姚雄伟

顺特电气设备有限公司528300

摘要：随着中国的经济发展，我国对于能源节约的需求也在不断增加，在这样的情况下，采用非晶合金作为铁芯的干式变压器正逐步替代传统的变压器，并作为一种新的能源形式被越来越多电力行业的使用，在此基础上，本文对非晶合金干式变压器的种类、结构、性能进行了分析，并对非晶合金干式变压器的发展方向及今后的发展方向进行了展望。

关键词：非晶合金干式变压器；特点；性能；

1.有关非晶合金的概述

1.1非晶合金概述

非晶合金是将Fe、C、Si、B等物质熔融后，采用超快凝固工艺制备而成。在熔融金属的凝固过程中，由于在熔融状态下，元素在熔融状态下无序地排布并发生晶化，因此，熔融金属在熔融状态下是不存在晶格或晶界的。该非晶合金的制备方法简便，并且有很多优良的性能。从上个世纪八十年代开始，这一现象就引起了国际上材料界的高度重视。铁基非晶合金、铁基非晶合金以及钴基非晶合金是当前研究的热点。

1.2非晶合金的特性

非晶合金作为一种新型软磁材料，其磁化强度和单位损耗都很小。无晶界、无格子，高温稳定性好；同时，由于非晶合金的无定形性，使得制备过程更加简便，并且具有更好的性能；以硅钢板为芯材料，其膨胀率、收缩率均比非晶合金低得多。为此，必须在生产过程中，采取行之有效的方法来控制噪音的产生；由于非晶合金具有比较高的硬度，因此，在对非晶合金进行切削加工时，其切削的困难程度要比普通的硅钢板大得多。所以，在生产中要尽量避免对非晶态金属进行切削；另外，在力学作用下，非晶态材料的磁学性质也会发生变化。因此，在设计由非晶合金制成的变压器时，重要的是尽量减少铁芯上的机械应力，以尽量减少对非晶合金的影响。

1.3非晶合金与非晶带材

非晶合金：在金属熔化过程中，其内部的原子依然处于活动状态，随着金属开始冷却，温度逐步降低，使原子按照一定的顺序有序地排列，最终呈现为一种晶体形态，若冷却速率过快，则原子还未来得及重新排列，就形成了一种非晶态合金，也被称为“非晶合金”。

非晶带材：将熔融的铁、硼、硅钢液喷入高速转动的低温辊子中，通过快速快速冷却，使钢液的温度降至每秒100万摄氏度，在1/1000秒内使1300摄氏度的钢液下降至200摄氏度，从而产生一种非晶态排列的金属带，称为非晶合金带，或称非晶带材，非晶带材是一种很好的制造低损耗变压器铁芯的原料。

2.非晶合金干式变压器特点

2.1非晶合金干式变压器性能特点

非晶合金干式变压器采用非晶合金的材料制作而成，其工作时损耗较小，不容易被用作变压器的铁芯，从而极大地减少今后的维修次数，同时，其负荷损失较小的特性，极大地节约了能耗，提高了电能的利用率；另外，采用无定形合金制作的变压器，其运行温度较低，绝缘性能较好，从而极大地提高了变压器的寿命，降低了损耗。这对于环保有一定的实际意义。

2.2非晶合金干式变压器的结构特点

非晶合金变压器多为环氧浇注型式，其结构与普通环氧浇注干变变相似，高压绕组采用漆包线或涤玻线绕制，然后采用环氧树脂真空浇注成型，低压绕组由铜箔绕制，并由铜排引出，区别在于，铁芯材质选择非晶合金带材，截面为矩形，开口式卷料，整个铁芯都是三相五柱或三相三柱，考虑到绝缘距离以及材料的成本，高低压线圈也相应的做成矩形。

2.3非晶合金干式变压器的安全性、环保性、节能性和经济性

（1）安全性

采用非晶合金制作的干式变压器，安全性高，可靠性高，因而在实践中得到了广泛的应用，并在许多公司中得到了成功的应用，并且取得了良好的效果，由于非晶合金干式变压器采用了刚体结构，其机械强度高，能够承受巨大的机械应力，因此，其结构与传统的干式变压器存在着明显的差异，只要采取适当有效的措施，同样能够消除这种隐患，从近几年来国内外的使用情况来看，非晶合金干式变压器的安全性能是可以得到保证的，在生产中是可以得到推广的。

（2）环保性

非晶合金变压器可节省大量能源，减少环境污染，具有非常显著的节能效果，被称为“无发电机的绿色电力发电厂”；此外，与传统的互感器比较，非晶态合金复合物的尺寸较小，节省了大量的土地，和空间。

（3）节能性

传统干式变压器存在着巨大的经济损失，而采用非晶态合金的干式变压器能够有效降低空载电流，其空载电流降低80%左右，其空载损耗降低2/3，节能效率提高80%左右，常规变压器的有效使用寿命大约在30年左右，它的运行费用要比生产费用高，在它的运行费用中，能耗所占的比例最大，其中包含了空载损耗和负载损耗。非晶合金干式变压器具有较高的电能利用率，能够实现高效的节能利用，大幅降低运行费用，进而取得更大的经济效益。

（4）经济性

非晶合金变压器由于使用了新的工艺、新的材质，使得其生产过程比较复杂，所以，它的价格要比普通变压器高，一般都要高30%，但是，它具有良好的节电特性，操作费用低等优点，在宏观上，它的整体使用费用要比传统变压器低，虽然非晶合金变压器一般比传统变压器高30%左右，但是在三至五年的使用过程中，所增加的费用就会被回收。

3.非晶合金干式变压器中改进措施

随着国家电力行业的不断发展和进步，对变压器性能的需求也在不断增加，非晶合金干式变压器的研制对国家电力事业的发展起到了很好的促进作用，目前，国内对非晶合金干式变压器的使用还面临着三大难题：噪声干扰大、变压器容量小和成本高。

3.1噪声影响

变压器的噪声主要来源于铁心材料的磁致伸缩引起的铁芯振动，非晶态合金因受力而具有很强的敏感性，张应力和弯曲应力均会对其磁学性质产生影响，所以，在变压器本体的设计中，必须将铁芯上的受力降到最低，此外，由于非晶铁芯材料的磁致伸缩系数较硅钢芯材料高10%左右，且不能过装夹，故其噪声高于同等容量的硅钢芯变压器。

随着我国对非晶合金干式变压器的研发和技术的不断提高，非晶合金干式变压器的噪声问题虽然有了一定的改善，但仍有很大的差距，因此，必须对非晶金属干式变压器噪声展开进一步的研究，这对发展非晶金属干式变压器具有一定的现实意义。

从设计参数的选择，计算仿真，工艺控制，制作工艺等几个方面对非晶干式变压器进行了控制，使非晶干式变压器的噪声达到理想的水平。

3.2容量小

非晶合金因其本身的结构特性，其体积和容量都受到限制，完全不能满足人们的日常需要，目前世界上最大的非晶合金变压器仅为5000 KVA，所以，开发出一种新型的非晶合金干式变压器成为了限制其进一步发展的重要因素。

3.3成本高

由于生产非晶态合金干式变压器所用的材料价格昂贵，生产周期长，企业开发的这类变压器若不能很好地推广，将会导致巨大的经济损失；此外，以非晶态合金为原料的干式变压器属于新兴品种，目前还没有被各行各业所普遍接受，一些领域仍处于试验阶段，一些地区仍在使用“老旧型号”，这对企业的发展也产生了一定的影响。

4.非晶合金干式变压器的设计与工艺要求

4.1磁密选取

对非晶合金干式变压器而言，其磁场强度的设计对其成本、性能、噪声等方面都有着重要的影响，所以，在对其进行设计时，一定要将其特性充分地考虑进去，经研究发现，其饱和磁密度低于1.5 T，远远低于冷轧硅钢，在饱和状态下，除了有较多的损耗外，还会有较多的热量散失，同时也会出现单向磁化，因此，在设计中，为获得与冷轧硅钢同样或类似的磁致伸缩，需要选择比冷轧硅钢更低的工作磁密，以保证合适的磁场强度。

4.2工艺参数设计

在非晶合金干式变压器铁芯的设计中，除了单位损耗外，需要考虑的工艺参数是单位磁化容量，以有效降低噪声并实现控制，铁芯的单位磁化容量受到单位损耗的约束，因此，要降低单位磁化容量，要具体结合企业的技术水平，在制作变压器的过程中，组装铁芯框架和绕组时，应打开打开的接头和重新连接的接头，这会增加铁芯上的力，增加组装变压器的损耗和噪音产生，在设计中，要充分考虑这种操作将增加的价值，企业先进的装配水平可以有效降低这一工艺系数，进一步降低空载损耗。

4.3矩形绕组

由于非晶合金变压器的特殊性，需要矩形绕组，在这种应用形式中，导线与矩形模具的附着力相对较差，因此要合理控制绕组的径向尺寸，采用合理的缠绕余量和夹具整型，可以达到良好的控制效果。

4.4工艺控制因素

工艺控制是非晶合金干式变压器设计和制造的重要组成部分，在目前的设计中，主要的方法是使用倒置和扁平的三相五柱或三相三柱组件设计，这种组装方法将对铁芯接头的质量产生重大影响，进而影响变压器的噪音，一般情况下，平装对铁芯开口的损坏相对较小，可以保证良好的接头质量，防止杂物进入绕组，然而，处理工艺需要较高的水平，在处理铁芯的开口接头时，应遵循以下原则：第一，搭接长度应控制在12mm至16mm之间，且必须大于8mm；其次，要保证搭接表面的平整度，确保没有毛刺或尖角；最后，在完成搭接后，可以使用特殊的胶水或温胶来完成密封，避免铁芯碎片的产生，减少接缝处的震动。

结束语

近年来，伴随着社会经济的快速发展，人们对电力的要求越来越高，电力的质量也越来越高，因此，对新型干式变压器的研究，将会对促进我国电力工业的发展产生积极的影响，这对我国朝着节能社会的方向发展具有重要的现实意义，也是响应了国家关于创建能源节约型社会的要求。

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