非晶合金配電變壓器的技術性能分析

   日期：2019-04-23

      非晶合金配電變壓器是一種采用新材料、新結構、新工藝的節能型配電設備，其鐵心材料是一種非晶合金，與傳統硅鋼鐵心相比，具有突出的低空載損耗特性。介紹了非晶合金配電變壓器的結構特性、機械應力敏感性，分析了性能參數以及低空載損耗特性的穩定性，探討了 SH15 型非晶合金配電變壓器產品的有功損耗率與負載率的關系，對比分析了 SH15 型非晶合金配電變壓器與 S11 型配電變壓器的效率特性和年綜合損耗，為評價非晶合金配電變壓器的技術性能提供了參考依據。

非晶合金配電變壓器是一種新型節能配電變壓器，具有低空載損耗特性。配電變壓器處于電力系統的末端，是供電環節中重要也是較普遍的設備，其容量較小，一般在2.5MVA及以下。盡管配電變壓器單臺容量遠小于高電壓等級的變壓器，但其分布廣、數量多、總容量大。中國屬于農業大國，農村電網中的季節性負荷明顯、全年輕載或空載運行時間長。相關統計表明，農村電網中的配電變壓器損耗占農村配電網損耗的60%~ 70%，配電變壓器運行效率低。目前技術較成熟的油浸式非晶合金配電變壓器各容量等級的空載損耗值為 S9 型配電變壓器的 1/4 左右。隨著非晶合金材料的基本國產化、非晶合金配電變壓器制造技術的逐步完善、生產工藝水平的不斷提高以及生產成本的下降，非晶合金配電變壓器在我國配電網中具有較好的應用潛力。

非晶合金配電變壓器特性分析

1.1  結構特性

非晶合金配電變壓器一般為三相四框五柱式結構，聯結組通常采用 Dyn11，可以減少諧波對電網的影響，改善供電質量。特殊需求時，也可采用三相三柱式結構和 Yyn0 聯結組別。三相四框五柱式結構不適于采用 Yyn0 聯結方式，原因是三相負荷不平衡時會引起嚴重的三相電壓失衡。 

1.2  機械應力敏感性

非晶合金配電變壓器的鐵心是由非晶合金帶材繞制而成，非晶合金對機械應力非常敏感。靜態機械應力是由鐵心自身重量和套裝繞組產生的。動態機械應力是繞組通過短路電流后所產生的沖擊力。非晶合金鐵心在成型過程中會受到張應力或彎曲應力作用，這些應力都會在一定程度上影響非晶合金鐵心性能，如空載損耗會隨著鐵心所受應力的增大而增加，因此應選擇合理的裝配結構，盡可能減少非晶合金鐵心表面的壓力。在設計中，可使非晶合金配電變壓器繞組的壓緊和固定自成體系，盡量減少裝配及鐵心自重產生的應力。在生產制造中，應注重提高非晶合金配電變壓器的退火工藝水平，盡可能消除應力的影響。

1.3  空載損耗分析

非晶合金配電變壓器因其鐵心材料性質而具有低空載損耗特性，負載損耗與傳統硅鋼配電變壓器基本相當。SH15 型非晶合金配電變壓器與 S9 型、 S11 型配電變壓器空載損耗對比情況具體如圖 1 所示。

由圖 1 可知，SH15 型非晶合金配電變壓器空載損耗比S9 型傳統配電變壓器平均降低約 75%，比 S11 型傳統配電變壓器平均降低約 65%。

非晶合金配電變壓器與傳統硅鋼配電變壓器相比具有低空載損耗特性，但在電力系統中，掛網運行后是否能夠較好地保持這種特性一直是用戶所關注的焦點問題。

1.4.1 國外分析實例

1982 年第一臺非晶合金配電變壓器在美國掛網運行，1983 年美國電力研究院、通用電氣公司及紐約州電力公司開始關注非晶合金配電變壓器運行性能的穩定性問題，并于 1985 年將 1 000 臺額定容量為 15 kVA 和 25 kVA 的變壓器送到 90 個美國電力研究院成員單位進行現場試驗，對其中一臺 25 kVA 單相非晶合金配電變壓器的跟蹤測試情況如表 1 所示。由表 1 測試數據可知，非晶合金配電變壓器的空載性能參數盡管存在起伏現象，但總體趨勢基本是穩定的。

日本東京電力公司、Takao 電氣有限公司和日立電氣有限公司對非晶合金配電變壓器的長期可靠性做了深入、細致地研究。自 1991 年起，對 200 臺不同容量的非晶合金配電變壓器進行了加速老化、現場運行、短路、沖擊等試驗，還進行了負載和振動對變壓器空載特性的影響測試。研究結果表明，非晶合金配電變壓器在 30 a 壽命期內，其空載特性是穩定的，運行是可靠的。日本電力中央研究所一份關于卷鐵心型非晶變壓器長期運行的性能狀況的報告中指出，給非晶合金配電變壓器施加相當于 20 a 以上的熱應力后，其鐵損只有很小的變化，在長期短路試驗的機械應力作用下，其性能未發生很大變化。

1.4.2  國內分析實例

1995 年，甘肅省天水市北道區電力局作為非晶合金配電變壓器試運行單位對 10 臺掛網運行 2 個月的非晶合金配電變壓器進行了測試，測試結果與運行前的測試值基本一致。

       引進美國通用電氣技術規模生產非晶合金配電變壓器的公司，也對本公司已運行多年的非晶合金配電變壓器的技術性能參數進行過復試，主要考察了非晶合金配電變壓器空載特性的穩定性，具體測試情況如表 2 所示。

由表 2 可以看出，運行 2~7 a 的非晶合金配電變壓器的空載損耗數值變化不大，絕大部分空載損耗值還有所下降，其中編號為 BS01008 的空載損耗值比初次出廠數據有所增加，其增加幅度為 8.3%。部分復測的空載電流、負載損耗以及短路阻抗電壓也基本保持平穩。

2009 年，中國電力科學研究院電力工業電力設備及儀表質量檢驗測試中心對已運行的三相油浸式非晶合金配電變壓器的主要技術性能參數進行了現場抽測，具體測試情況如表 3 所示。

由表 3 可以看出，容量為 30 kVA 的 2 臺非晶合金配電變壓器空載損耗與出廠試驗值相比有所增加，但仍在標準值允許的范圍之內(空載損耗標準)

       值為 33 W，允許偏差為+15%，即為 37.95 W)；而容量為 80 kVA 和 125 kVA 的非晶合金配電變壓器的空載損耗與出廠試驗相比有所下降，負載損耗數值與鐵心性質無關，由現場測試數據可以看出，只有 125 kVA 的非晶合金配電變壓器有所升高，且升高幅度較大，其余均有所下降。

綜合以上情況可以判斷，非晶合金配電變壓器在掛網運行后其空載損耗會成倍增加的說法缺乏依據，單相變壓器及容量稍大(80 kVA 及以上)的三相油浸式非晶合金配電變壓器的空載特性是基本穩定的。

結論

1）非晶合金配電變壓器是一種采用新材料、新結構、新技術的節能型電氣設備。因其非晶合金鐵心材料的特殊性，具有明顯的低空載損耗特性和機械應力敏感性，制造與裝配工藝比傳統配電變壓器要求高，非晶合金配電變壓器成品的空載特性在掛網運行后基本能夠保持穩定。

2）非晶合金配電變壓器的有功損耗率不僅與變壓器自身的技術性能參數有關，還與負載率和功率因器在負載率為 20%~30%時，有功損耗率低。理論計算表明，負載率低于 60%時，節能效果明顯。

3）額定容量和功率因數相同時，SH15型非晶合金配電變壓器的效率均高于 S11 型配電變壓器。非晶合金配電變壓器在負載率較低(20%~30%)時效率較高，具體還與變壓器容量和功率因數等有關。

4）SH15型非晶合金配電變壓器的年綜合損耗均低于 S11 型配電變壓器，其降低值主要與變壓器額定容量大小有關，而與實際負載率無關。

5）盡管非晶合金配電變壓器與傳統的硅鋼配電變壓器相比具有較好的低空載損耗特性，但目前用來制造非晶合金配電變壓器鐵心的非晶合金材料主要依賴進口，因此，非晶合金配電變壓器設計制造技術實現基本國產化將是該領域的一個重要研究方向。

（文章來自中國電力科學研究院，侵刪）