摘要

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使我電力事業(yè)在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著我綠色發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展等觀念的出現(xiàn)，使得電力事業(yè)逐漸加強(qiáng)了對(duì)于能源的節(jié)約?；诖耍嚓P(guān)部門逐漸加強(qiáng)了對(duì)于新型節(jié)能型干式變壓器的使用。目前，立體卷鐵心與非晶合金干式變壓器的技術(shù)在實(shí)際的使用過(guò)程中不僅緩解了家電力緊張的問(wèn)題，還進(jìn)一步推動(dòng)電力企業(yè)在運(yùn)行過(guò)程中獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。本文基于此，以平 面非晶合金干式變壓器與立體卷鐵心非晶干式變壓器的使用為例，分析探討了其在實(shí)際的使用過(guò)程中所具備的經(jīng)濟(jì)性能。

立體卷鐵心配電干式變壓器

立體卷鐵心

鐵心：框拼合成的三角形立體布置的鐵心。

【立體卷鐵心配電干式變壓器Tridimensional Toroidal-Core Distribution Transformer】以立體卷鐵心為磁路的配電干式變壓器。

三維立體卷鐵心干式變壓器、立體組合式卷鐵心干式變壓器、立體組合式三相卷鐵心干式變壓器、三角形立體卷鐵心干式變壓器、立體三角形卷鐵心干式變壓器等說(shuō)法均是指【立體卷鐵心干式變壓器】，其型號(hào)中出現(xiàn)字母RL，如S13-MRL-100/10其中，R表示卷鐵心，L表示立體結(jié)構(gòu)。

立體卷鐵心干式變壓器是一種節(jié)能型電力干式變壓器，它創(chuàng)造性地改革了傳統(tǒng)電力干式變壓器的疊片式磁路結(jié)構(gòu)和三相布局，使產(chǎn)品性能更為優(yōu)化，如三相磁路完全對(duì)稱、 油浸式立體卷鐵心干式變壓器 節(jié)電效果顯著、噪音大大降低、散熱及過(guò)載能力更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊體積小等。

立體卷鐵心

干式變壓器

立體卷鐵心的特性

01

磁路優(yōu)化

（1）三維立體卷鐵心層間沒(méi)有接縫，磁路各處分布均勻，沒(méi)有明顯的高阻區(qū)，沒(méi)有接縫處磁通密度的畸變現(xiàn)象。

（2）磁通方向與硅鋼片晶體取向完全一致 。

（3）三相磁路長(zhǎng)度完全相等，三相磁路長(zhǎng)度之和較短 。

（4）三相磁路完全對(duì)稱，三相空載電流完全平衡

02

損耗低，節(jié)電效果顯著

（1）三維立體卷鐵心的磁化方向完全與硅鋼片的軋制方向一致，且鐵心層間沒(méi)有搭頭接槰，磁路各處的磁通分布均勻，沒(méi)有明顯的高阻區(qū)、沒(méi)有接縫處磁通密度的畸變現(xiàn)象。在材質(zhì)相同的前提下，卷繞式鐵心與疊片式鐵心相比，其鐵損工藝系數(shù)從1.3-1.5之間下降到1.05左右，僅此一項(xiàng)可使鐵心損耗降低10-20%。

（2）由于特殊的三維立體結(jié)構(gòu)，使鐵心的鐵軛部分用材量比傳統(tǒng)疊片鐵心減少25%，且減少的角重量占鐵心總重約6%。

（3）對(duì)硅鋼片的剪切處理會(huì)使其導(dǎo)磁性能惡化，三維立體卷鐵心經(jīng)高溫（800℃）真空充氮退火處理，不僅消除了鐵心的機(jī)械應(yīng)力，而且細(xì)化了硅鋼片的磁疇，提高了硅鋼片二次再結(jié)晶能力，使硅鋼片的性能大大優(yōu)于其出廠時(shí)的性能。

03

噪音低

干式變壓器本體振動(dòng)產(chǎn)生噪音的根源在于：

- 硅鋼片的磁致伸縮引起鐵心振動(dòng)，產(chǎn)生噪音 - 硅鋼片接縫處和疊片之間存在著因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力，引起鐵心振動(dòng)，產(chǎn)生噪音

- 干式變壓器工作磁密選取過(guò)高，接近或達(dá)到飽和點(diǎn)，漏磁太大，產(chǎn)生噪音 由于三維立體卷鐵心是將硅鋼片條料在專用的鐵心卷繞機(jī)上不間斷、緊密連續(xù)卷制而成，沒(méi)有接縫，不會(huì)產(chǎn)生如疊片式匆忙那樣因磁路不連續(xù)而發(fā)出的噪音。同時(shí)，三相磁路、磁通完全對(duì)稱，工作磁密設(shè)計(jì)合理，因而產(chǎn)品噪音大大降低。

04

過(guò)載能力強(qiáng)

（1）產(chǎn)品本身的發(fā)熱量很低：卷鐵心干式變壓器其空載損耗、空載電流都非常小，產(chǎn)品本身發(fā)熱量就很低；

（2）如圖所示，三相線圈呈“品”字形排布，在線圈間形成一條上下貫通的中心天然氣道——“抽風(fēng)煙筒”，由于上下鐵軛溫差30-40℃，產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣對(duì)流，冷空氣從下面往中心通道補(bǔ)充，熱量從上鐵軛內(nèi)斜面輻射出去，自然循環(huán)中迅速帶走干式變壓器產(chǎn)生的熱量。

05

結(jié)構(gòu)緊湊，占地小

特殊的三維立體鐵心使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，器身平面占用面積比傳統(tǒng)產(chǎn)品減少10-15%，器身高度降低10-20%，若安裝在箱式變電站中可縮小箱變體積近1/4。

立體變的技術(shù)性能特點(diǎn)

關(guān)于立體卷鐵心干式變壓器的技術(shù)性能特點(diǎn)，關(guān)于該類型的干式變壓器技術(shù)性能特點(diǎn)主要有6點(diǎn)，具體內(nèi)容如下：1、 事實(shí)上，該類型的干式變壓器在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，其鐵心 由硅鋼片卷制而成，免除了煩瑣的疊片工作，繼而使得相關(guān) 工序朝著簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展。

2、就是卷鐵心在生產(chǎn)的過(guò)程 中主要進(jìn)行機(jī)械化的處理方式，因而生產(chǎn)效率較高。

3、是該 干式變壓器的重要部件——三相卷鐵心中的三相鐵心磁路對(duì)稱等 長(zhǎng)，因而能夠有效節(jié)省材料，降低干式變壓器的整機(jī)綜合成本。

4、是由于立體三角形卷鐵心具有無(wú)接縫的特點(diǎn)，這使得變壓 器在實(shí)際的使用過(guò)程中能夠高效發(fā)揮優(yōu)質(zhì)鐵心材料高導(dǎo)磁特 點(diǎn)，并減少不必要的電能損耗。

5、是該干式變壓器的體積較小， 結(jié)構(gòu)緊湊，外型美觀。

6、是該干式變壓器在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中能 夠?qū)⑦\(yùn)行噪音降到較低。

立體卷鐵心的缺點(diǎn)

01

加工周期長(zhǎng)

立體卷鐵心，鐵心制造工藝復(fù)雜，包括退火等工藝，周期加工長(zhǎng)。線圈繞制用專用的繞線設(shè)備，不具有通用性，加工周期長(zhǎng)。

02

春運(yùn)，人類史上較大的遷徙

當(dāng)干式變壓器電阻等不平衡，或者干式變壓器一項(xiàng)線圈有問(wèn)題等，必須整體返廠修理。產(chǎn)品通用性差，必須要專用設(shè)備才能修理。

非晶合金干式變壓器

非晶鐵心及帶材

非晶合金干式變壓器（amorphous alloy transformer）是二十世紀(jì)七十年代開(kāi)發(fā)研制的一種節(jié)能型干式變壓器。非晶合金干式變壓器產(chǎn)品對(duì)于安全性、可靠性的要求特別高，具有典型的技術(shù)密集型特點(diǎn)。世界上較早研發(fā)非晶合金干式變壓器的家是美，當(dāng)時(shí)由美通用電氣（GE）公司承擔(dān)了非晶合金干式變壓器的研制項(xiàng)目。到上世紀(jì)八十年代末實(shí)現(xiàn)了商品化生產(chǎn)。由于使用了一種新的軟磁材料——非晶合金，非晶合金干式變壓器的部分性能超越了硅鋼干式變壓器。非晶合金干式變壓器兼具了節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，其顯著特點(diǎn)是空載損耗很低，符合家產(chǎn)業(yè)政策和電網(wǎng)節(jié)能降耗的要求，是節(jié)能效果較為先進(jìn)，使用成本也較為經(jīng)濟(jì)的配電干式變壓器。

非晶合金干式變壓器

非晶變的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

利用導(dǎo)磁性能突出的非晶合金，來(lái)用作制造干式變壓器的鐵芯材料，較終能獲得很低的損耗值。但它具有許多特性，在設(shè)計(jì)和制造中是必須保證和考慮的。主要體體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

(1)非晶合金片材料的硬度很高，用常規(guī)工具是難以剪切的，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮減少剪切量。

(2)非晶合金單片厚度極薄，材料表面也不是很平坦，則鐵芯填充系數(shù)較低。

(3)非晶合金對(duì)機(jī)械應(yīng)力非常敏感。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須避免采用以鐵芯作為主承重結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

(4)為了獲得優(yōu)良的低損耗特性，非晶合金鐵芯片必須進(jìn)行退火處理。

(5)從電氣性能上。為了減少鐵芯片的剪切量，整臺(tái)產(chǎn)品的鐵芯由四個(gè)單先的鐵心框并列組成，并且每相繞組是套在磁路先立的兩框上。每個(gè)框內(nèi)的磁通除基波磁通外，還有三次諧波磁通的存在，一個(gè)繞組中的兩個(gè)卷鐵芯框內(nèi)，其三次諧波磁通正好在相位上相反，數(shù)值上相等，因此，每一組繞組內(nèi)的三次諧波磁通向量和為零。如一次側(cè)是D接法，有三次諧波電流的回路，當(dāng)在感應(yīng)出的二次側(cè)電壓波形上，就不會(huì)有三次諧波電壓的分量。

根據(jù)上面分析，三相非晶合金配電干式變壓器較合理的結(jié)構(gòu)為：鐵芯，由四個(gè)單先鐵芯框在同一平面內(nèi)組成三相五柱式，必須經(jīng)退火處理，并帶有交叉鐵軛接縫，截面形狀呈長(zhǎng)方形。繞組，為長(zhǎng)方形截面，可單先繞制成型的，雙層或多層矩形層式。油箱，為全密封免維護(hù)的波紋結(jié)構(gòu)。

非晶合金材料

非晶合金材料是一種新型節(jié)能材料，其主要是以鐵、鎳、鈷、鉻、錳等金屬為合金基，并加入少量的硼、碳、硅、磷等金屬元素制成的，它具有良好的鐵磁性。

非晶合金材料采用快速急冷凝固生產(chǎn)工藝，其物理狀態(tài)表現(xiàn)為金屬原子呈無(wú)序非晶體排列，它與硅鋼的晶體結(jié)構(gòu)完全不同，更有利于被磁化和去磁，加工成的非晶合金鐵心帶材厚度僅0.025mm厚，這種新型材料用于干式變壓器鐵心磁化過(guò)程相當(dāng)容易。能夠大幅度降低干式變壓器的空載損耗。不過(guò)其磁通飽和值較傳統(tǒng)的硅鋼材料低(1.57T—1.59T)，故非晶合金鐵心在設(shè)計(jì)磁通密度時(shí)單相干式變壓器一般取1.3T—1.4T，三相干式變壓器一般1.25T—1.35T之間取值較理想。

非晶合金鐵心材料對(duì)機(jī)械應(yīng)力非常敏感，無(wú)論是張引力還是彎曲應(yīng)力都會(huì)影響其磁性能，所以，鐵心的損耗會(huì)隨著應(yīng)力的增大而增加。這需要在器身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以充分考慮。

非晶合金鐵心特點(diǎn)

1、非晶體沒(méi)有晶格和晶界，故非晶合金的磁化功率小，勵(lì)磁特性和單位損耗大大低于硅鋼片。2、非晶體具有各向同性，故非晶合金為無(wú)取向軟磁材料，可采用直接縫且可不分級(jí)。3、非晶體原子結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定，故非晶合金對(duì)機(jī)械應(yīng)力非常銘感，在受力較大的情況下回影響其電磁性能。4、非晶體原子間距相對(duì)較大，分子間作用力較弱，故在勵(lì)磁時(shí)其磁致伸縮相對(duì)較大。5、非晶合金帶材成形時(shí)厚度極小，約為0.02~0.03mm，其渦流損耗很小。因厚度小且表面彎曲度大，故占空比（疊片系數(shù)）小，僅為0.84~0.86。

非晶變的技術(shù)性能特點(diǎn)

關(guān)于非晶合金干式變壓器的技術(shù)性能特點(diǎn)，以南方某電氣有限公司生產(chǎn)的非晶合金立體卷鐵心油浸式干式變壓器（圖 2）為例，進(jìn)行相關(guān)的講述。目前，該公司在進(jìn)行實(shí)現(xiàn)非晶合金干式變壓器構(gòu)造的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了三相磁路的完全對(duì)稱、等長(zhǎng)，繼而由此推動(dòng)了三 相供電的平衡性。此外，由于其主要結(jié)構(gòu)為三角形結(jié)構(gòu)，因 而具有較高的穩(wěn)定性。此外，這種結(jié)構(gòu)也促使了鐵心的機(jī)械 強(qiáng)度高，增強(qiáng)了干式變壓器的抗短路能力。三是非晶合金干式變壓器 在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中能夠有效地降低空載損耗以及電流，由 此實(shí)現(xiàn)了對(duì)于電能的節(jié)省。

但是，平面非晶合金干式變壓器在制造過(guò)程當(dāng)中需要使用大量的非晶合金材料，前期投資成本較高而且制造使用的材 料重量較大、投資較高，產(chǎn)生同樣效果時(shí)平面非晶合金變壓 器相比立體卷鐵心干式變壓器具有較大的資源消耗量，投資高的 同時(shí)就導(dǎo)致了平面非晶合金干式變壓器的售價(jià)較高，因此在大規(guī) 模制造以及推廣使用過(guò)程中都會(huì)受到較大的影響。平面非晶 合金干式變壓器在實(shí)際的使用過(guò)程中為了能夠有效地提高空間利 用系數(shù)，縮小體積的同時(shí)使干式變壓器的散熱性能受到較大的影 響，長(zhǎng)期工作后干式變壓器局部處于高溫工作狀態(tài)發(fā)生危險(xiǎn)的可 能性較大，平面非晶合金干式變壓器運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生噪音較高，影 響人們的生活質(zhì)量。

非晶變的缺點(diǎn)

1)使電力系統(tǒng)短路電流增加。由于高、中壓繞組非晶合金干式變壓器兩者之間的電氣連接,它只與普通雙繞組干式變壓器短路阻抗的能力(1 k / 1)時(shí)代廣場(chǎng),所以在使用非晶合金干式變壓器在電力系統(tǒng),使三相短路電流顯著增加。和由于自耦合干式變壓器中性點(diǎn)必須直接接地,因此將使系統(tǒng)的單相短路電流大大增加,有時(shí)甚至超過(guò)三相短路電流。2)在調(diào)節(jié)造成一些困難。主要是由于其高、中壓繞組電接觸引起的非晶合金干式變壓器可能的方式調(diào)節(jié)三個(gè),較好個(gè)是安裝在非晶合金干式變壓器繞組分別與負(fù)載變化位置調(diào)節(jié)裝置;第二個(gè)是在高壓和中壓線路安裝額外的干式變壓器。和這三種方法不僅是制造困難,不經(jīng)濟(jì),有其缺陷以及在運(yùn)行(如第三繞組電壓)的影響,解決方案并不理想。3)復(fù)雜的繞組過(guò)電壓保護(hù)。由于高、中壓繞組非晶合金干式變壓器接觸,任何一方在振幅對(duì)應(yīng)于閃電的繞組絕緣水平激增,另一邊的過(guò)電壓波幅度可能超出了絕緣等級(jí)。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生,必須在高、中壓兩邊的出口端安裝一組閥型避雷器。4)使繼電保護(hù)復(fù)雜。

5）飽和磁密低，非晶合金油浸式干式變壓器鐵心的飽和磁密，普通硅鋼板的飽和磁密度一般在1.56 t左右，與傳統(tǒng)硅鋼板的差約為20%。因此，干式變壓器的設(shè)計(jì)磁密度也必須降低20%。非晶體合金的油交換設(shè)計(jì)的磁密度一般小于1.35t，干性非晶體合金的設(shè)計(jì)磁密度一般小于1.2 t。

6）非晶核心帶對(duì)力量敏感，核心帶受力時(shí)其空振性能容易惡化。因此，應(yīng)該特別注意其結(jié)構(gòu)。核心掛在支撐臺(tái)，應(yīng)該承受自身的整體重力。另外，要特別注意核心部位的力量失效和敲門的減少。

7）磁失真規(guī)格的硅鋼板約10%大，噪音控制困難，是制約非晶合金油浸式干式變壓器干式變壓器的普及的主要原因之一。目前，南方電力網(wǎng)和電網(wǎng)投標(biāo)對(duì)均非晶合金油浸式干式變壓器干式變壓器的噪音提出了高要求。分敏感區(qū)和非敏感區(qū)，以音級(jí)設(shè)計(jì)磁密為目標(biāo)提出。

8）非晶合金油浸式干式變壓器絲帶薄，厚度只有0.03 mm。因此，象以前的硅鋼板一樣地能非法制作線圈核心。為此，非晶合金油浸式干式變壓器干式變壓器的鐵心構(gòu)造被非常規(guī)干式變壓器制造廠非法加工，通常需要整形和購(gòu)買。對(duì)于線圈內(nèi)帶的矩形斷面，非晶體合金干式變壓器的線圈通常制作矩形結(jié)構(gòu)。

9）熟化程度不夠。目前，主要進(jìn)口日立金屬非晶合金油浸式干式變壓器帶材，逐漸產(chǎn)化。安泰科技和青島云路擁有非晶合金油浸式干式變壓器寬帶(213 mm、170 mm、142 mm)。進(jìn)口膠帶的穩(wěn)定性還有差別。

10）更大鋼耐用長(zhǎng)度限制。非晶體合金的帶材相對(duì)于初期更大周方向的帶材長(zhǎng)度，因爐子的大小而受到限制。但是，大體上解決了。更大周邊的帶材的長(zhǎng)度能制作10米的非晶合金油浸式干式變壓器芯臺(tái)，3150 kVA及以下的非晶合金油浸式干式變壓器的干式轉(zhuǎn)移和10000 kVA及以下的非晶合金油浸式干式變壓器的油轉(zhuǎn)移被使用。

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