非晶合金变压器在发电厂厂用系统的应用

 引言
变压器是根据电磁原理而制造的一种输变电设备，导磁磁路系统是变压器的主要部分，变压器的铁损（即空载损耗）是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而产生的损耗，主要取决于制造变压器铁芯的导磁材料以及其叠装工艺。降低变压器空载损耗的最有效途径就是增大铁芯的磁阻，减小变压器的激磁电流。增大磁阻的技术手段是将传统铁芯使用的硅钢片做的非常薄，而目前从工艺制造水平上硅钢片的厚度能做到0.3mm，并且主要依赖进口。目前非晶合金材料厚度可以做到0.03mm，比传统的硅钢片薄10倍，成品变压器空载损耗与传统硅钢片相比大大降低，空载电流降低50%，节电效果明显，在发电厂厂用系统中推广应用，可降低大量厂用电损耗而节省电能。
1 非晶合金材料的性能指标
非晶合金就是把已经融化的液态合金，采用超冷技术，使其从液态到固态的过程中，金属内部原子来不及有序排列，呈结晶状态，此金属没有常规晶态合金的晶粒、晶界存在，故称为“非晶合金”。非晶合金新型金属材料结构具有高饱和磁感应强度、低损耗、低激磁电流、良好的温度稳定性，非常适用制造变压器铁芯。与传统的导磁材料硅钢片相比较具有明显的优势。
2 非晶合金变压器的应用
2.1 非晶合金的生产工艺 非晶合金带材含铁78%-81%、含硼13.5%、含硅3.5%-8%，另外还有微量的镍等金属，它的原子排列特征是呈混论无序状态，带材外表面特征是具有金属色泽的银灰色薄带。非晶合金材料的节能功效主要归功于采用了一种新的具有优异软磁性能的以及严格的制造工艺。与硅钢片的生产工艺差别较大，非晶合金材料是以非常快的速度冷却凝固成0.02-0.06mm厚的合金薄板，此工艺比常规硅钢片成材工艺节省了6-8道工序，节省能耗80%左右，成材率可达90%。
2.2 非晶合金变压器的生产制造方法 ①在铁芯上绕制线圈。把非晶合金成卷带状薄板加工成矩形，用专用的绕线机绕制线圈，但线圈截面积大、铁芯质量重，对工装设备和工艺操作都有较严格的要求，因此，较大容量的变压器难以采用这个方法。②采用叠片式铁芯结构。把非晶合金卷材剪切成所需要的长度，再加以粘接，叠装成铁芯。从物理特性可看出非晶合金材料薄，脆而硬，要达到无毛刺，对剪切的设备和刀具要求高。工艺复杂、工时耗用多，制造难度大，大面积推广有其一定困难。③非晶合金铁芯套装线圈。把卷绕成型的铁芯在一端剪切出接缝，各片的接缝均错开，压制成矩形，打开接缝，套入线圈，闭合接缝，组装为铁芯和绕组的整体部件。目前广州顺德电气制造单台容量达到1250KVA，并且一次通过国家电力试验检测中心三相短路试验，并且运行效果良好。
3 非晶合金材质的节能效果分析
3.1 非晶合金变压器SCBH15与SCB9系列变压器损耗的比较 从非晶合金材料的电磁性能可以看出，在同等磁通密度下，非晶合金铁芯损耗仅为硅钢片铁芯的四分之一，励磁功率约为硅钢片铁芯的一半，电阻率为硅钢片铁芯的3倍。
3.2 效益分析和计算 我国是世界上能源消费增长最快的国家，同时也是能源紧缺国家，节能是我国建设节约型社会的国策。为满足社会可持续发展和保护生态环境的需要，国家发展和改革委员会已将非晶合金变压器列为重点推广节电产品。当前对非晶合金变压器能效分析有很多方法，分析的角度也不尽相同，根据电力行业DL/T985-2005《配电变压器能效技术经济经济评价导则》提供的配电变压器能效的技术经济分析方法中提出的总拥有法德概念，能够全面、准确充分表达所购变压器的综合费用，它综合了变压器的初始费用和等价现值的损耗费用。
TOCEPC=CI+（A×P0+B×PK）
式中TOCEPC——配电变压器的综合能效费用（元）；
CI——变压器设备的初始费用（元）；
P0——变压器额定容量的空载损耗（KW）；
PK——变压器额定容量的负载损耗（KW）；
A——单位空载损耗的等效初始费用（元/KW）；
B——单位负载损耗的等效初始费用（元/KW）。
以机械行业为例，设计变压器设计寿命20年，贴现率为8%，年用电时间为355天×24=8760小时，单位月容量费为20元/KW，电费为0.65元/KWh，年最大负载时间为5500小时，负荷率为75%。
A=KPV×EeHPV+EC×12
=1-[1/1+0.08]20/0.08×（0.65×8760+20×12）
=58.32元/KW
B=（Ee×T+Ec×12）×PL2
=（0.65×5500+20×12）×{1-[1/0.08]20/0.08×0.752
=21.2元/KW
以SCBH15非晶合金型315KVA变压器与SCB9型普通型为例，同等容量的变压器相比非晶合金变压器的价格要高出普通型20000元左右。SCBH15型的空载损耗142W，负载损耗2532W；SCB9型的空载损耗为670W，负载损耗为3650W，因此
TOCEPC=CI+（A×P0+B×PK）
=-20000+（58.32×（670-142）+21.2×（3650-2532）
=34494.56元
在寿命周期内使用非晶合金变压器替换同容量干式变压器，可节约费用34494.56元。而电力行业考虑变压器的设计寿命一般为30年，经济效益更大。
3.3 在发电厂低压厂用系统中的应用
结合电力行业的特点，以2×300MW火力发电机组所使用厂用低压变压器空载损耗、负载损耗为例，低压厂用变压器的空载损耗之和为55.18KW，负载损耗为202.54KW。按照非晶合金变压器的空载损耗减少75%-80%，负载损耗减少30%左右。不考虑投资成本，从节能减排方面分析，每运行24小时空载损耗减少24×43.04=
1032.96KWh，负载率按0.75考虑，负载损耗减少24×60.762×0.75=1093.716KWh，两项合计为2127KWh。按照目前我公司上网电价0.4017元/KWh计算，每天增加经济效益2127×0.4017=854元。按照每发一度电用煤360克，排放二氧化碳100克，二氧化硫10克计算，每天节约煤765.72公斤，减少二氧化碳排放212.7公斤，减少二氧化硫排放21.27公斤。
4 结论
4.1 非晶合金铁芯制造的变压器节能效果非常明显，经济性能良好。根据目前资料显示SCB9型普通干式变压器与SCBH15型非晶合金变压器相比，一次性投资仅增加40%左右。建议新建发电厂厂用系统和农用配电项目推广使用，增加的投资运行50000小时左右即可收回。
4.2 由于生产工艺的特殊性，目前了解市场生产能力单台容量可做到1250KVA，并且一次性通过国家权威部门的三相短路试验。随着技术不断进步变压器的容量会逐步增大，单价逐步降低，节约成本的空间更大。