新型節(jié)能非晶合金鐵芯變壓器論文1

1、.摘 要變壓器是電力系統(tǒng)必不可少的設(shè)備之一，其性能的改進(jìn)幾乎全部依靠所用的材料的更新，以及絕緣結(jié)構(gòu)、線圈結(jié)構(gòu)、鐵芯結(jié)構(gòu)的變革。變壓器效率的提高，完全是由于使用較低鐵芯損耗的磁性材料，這種新型節(jié)能材料就是非晶合金材料。在我國推廣應(yīng)用非晶合金鐵芯配電變壓器對節(jié)能和環(huán)境保護(hù)有著重大意義。非晶材料生產(chǎn)過程節(jié)能70%，非晶變壓器空載損耗減少70%，是雙節(jié)能產(chǎn)品。據(jù)專家測算，相同規(guī)格的硅鋼變壓器與非晶變壓器的市場價(jià)格之比已由數(shù)年前的1：2回落到目前的l：1.3以下。加之又符合國家倡導(dǎo)的“節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，建設(shè)節(jié)約性社會”的產(chǎn)業(yè)政策，發(fā)展正逢其時1。因此，研制新型節(jié)能的非晶合金鐵芯變壓器具有重要意義。本文

2、結(jié)合多年來各國關(guān)于非晶合金鐵芯變壓器的研究結(jié)果，通過技術(shù)人員的不斷努力，再加上近年來的一些實(shí)測經(jīng)驗(yàn)，終于研制出一系列適合我廠實(shí)際情況的非晶合金變壓器，。關(guān)鍵詞：變壓器；非晶合金；鐵芯；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性精品.abstracttransformer is one of necessary equipments for power system，the performance improvement is almost entirely on the materials used in the update，and the insulation，the coil structure，core struct

3、ure change. transformer efficiency is entirely due to a lower core loss of magnetic materials，this new energy-saving material is amorphous material.it is great significance to promote the use of amorphous alloy core distribution transformers for energy conservation and environmental protection，energ

4、y saving 70% of the production process for amorphous materials， amorphous transformer load loss reduced by 70%，so it is a two-energy-saving products. according to expert estimates，the same size transformer with amorphous silicon market price of the transformer has a few years ago，the ratio of 1:2 do

5、wn to the current l:1.3 or less. in line with national advocates of the conservation of resources，environmental protection，construction of a conservation society industrial policy.so，it is important to development new energy-saving transformer amorphous alloy core. this paper combines amorphous core

6、 transformer states on research results of years，through the continuous efforts of technical staff，and some of the actual experience in recent years，we finally developed a series of amorphous alloy transformer for the actual situation.keywords：transformer；amorphous alloy；core；technical and economic精

7、品.目錄摘 要iabstractii1 緒論11.1 引言11.2 課題背景21.3 美國非晶合金變壓器研制情況21.4 日本非晶合金變壓器研制情況41.5 其他國家非晶變壓器研制情況51.6 我國非晶合金變壓器研制情況62 我廠非晶合金變壓器研制情況122.1 變壓器原理122.2 變壓器的主要參數(shù)142.2.1 額定電壓142.2.2 額定容量142.2.3 額定電流和頻率152.2.4 空載電流和空載損耗152.2.5 阻抗電壓和負(fù)載損耗162.2.6 磁密選取162.3 非晶合金材料172.3.1 非晶合金材料概況172.3.2 非晶合金的分類192.3.3 非晶合金的物理性能和化學(xué)性

8、能19精品.2.3.4 非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)202.3.5 非晶合金的應(yīng)用222.4 非晶合金鐵芯變壓器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)222.4.1 鐵芯結(jié)構(gòu)222.4.2 繞組232.4.3 絕緣結(jié)構(gòu)242.4.4 生產(chǎn)非晶合金鐵芯變壓器的技術(shù)難點(diǎn)及相應(yīng)工藝保證措施242.4.5 非晶合金鐵芯性能特點(diǎn)252.4.6 變壓器效率的計(jì)算312.4.7 我廠產(chǎn)品展示342.5 我廠非晶合金變壓器實(shí)測情況353 非晶合金變壓器的實(shí)用效益分析363.1 降損經(jīng)濟(jì)效益383.1.1 實(shí)測經(jīng)濟(jì)性分析383.1.2 推廣性分析393.2 投資回收分析413.3 靜態(tài)投資回收年限413.4 動態(tài)投資回收年限41結(jié)論42參考文獻(xiàn)

9、43精品.1 緒論1.1 引言變壓器是電力系統(tǒng)必不可少的設(shè)備之一， 其性能的改進(jìn)幾乎全部依靠所用的材料的更新，以及絕緣結(jié)構(gòu)、線圈結(jié)構(gòu)、鐵芯結(jié)構(gòu)的變革。變壓器效率的提高，是由于使用較低鐵芯損耗的磁性材料。初期制造變壓器鐵芯材料，曾經(jīng)使用過軟薄鋼片和金屬絲，但存在損耗大，時效差等問題。在本世紀(jì)初，英國啥德菲爾德(haefield)研制成硅鋼薄片，1903德國和美國相繼研究成功熱軋無取向電工鋼片，在50hz、1.5t下單位損耗3.5w/kg，使變壓器鐵芯材料獲得突破性進(jìn)展，此后1934年美國高斯研制成冷軋取向電工硅鋼片，并取得了專刊，單位損耗降到2.2 w/kg。通過特定的冷軋和退火工藝，將結(jié)晶軸調(diào)

10、整到軋制方向排列，這種冷軋硅鋼片大大提高了材料的性能，飽和磁通密度提高了50%，磁導(dǎo)率提高5倍。1960年，日本開始進(jìn)一步改善和發(fā)展高導(dǎo)磁冷軋晶粒取向硅鋼片，使單位損耗下降至0.74 w/kg。經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，導(dǎo)磁材料單位損耗不斷降低，變壓器空載損耗亦隨之下降，圖1.1表示了150kva變壓器從五十年代到九十年代鐵芯損耗下降了一半還多。近年來，國內(nèi)外各方面專家對非晶合金材料及非晶合金鐵芯的變壓器(以下簡稱非晶變壓器)開展了廣泛的研究和討論，其目的是如何進(jìn)一步降低變壓器損耗，特別是配電變壓器空載損耗的可能性及非晶變壓器運(yùn)行的可靠性2。圖1.1 150kva變壓器鐵芯損耗變化歷程精品.1.2

11、課題背景在我國推廣應(yīng)用非晶合金鐵芯配電變壓器對節(jié)能和環(huán)境保護(hù)有著重大意義。非晶材料生產(chǎn)過程節(jié)能70%，非晶變壓器空載損耗減少70%，是雙節(jié)能產(chǎn)品，據(jù)專家測算，相同規(guī)格的硅鋼變壓器與非晶變壓器的市場價(jià)格之比已由數(shù)年前的1：2回落到目前的l：1.3以下。非晶變壓器如果突破原材料供應(yīng)制約瓶頸，加之又符合國家倡導(dǎo)的“節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，建設(shè)節(jié)約性社會”的產(chǎn)業(yè)政策，發(fā)展正逢其時。一位電器行業(yè)的專家曾做過這樣的分析，我國年均生產(chǎn)配電變壓器約2.4億kva，如30%改用非晶材料，年生產(chǎn)非晶變壓器為7200萬kva，以每臺變壓器200kva為例，年產(chǎn)非晶變壓器將達(dá)36萬臺。這將降低變壓器空載損耗13萬kw，一

12、年可節(jié)約用電11.4億kwh。相當(dāng)節(jié)約電煤43.3萬噸，減少燃煤有害氣體排放1.1萬噸。國家發(fā)改委、科技部、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會等單位目前已經(jīng)非常關(guān)注非晶配電變壓器在中國的推廣使用情況，安泰科技股份有限公司在多年非晶配電變壓器鐵芯開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，近期將在非晶配電變壓器原材料的生產(chǎn)能力上進(jìn)行大規(guī)模投資，萬噸級非晶配電變壓器帶材生產(chǎn)線投資2.6億元，在2007年提供500噸非晶配電變壓器用帶材，在2008年提供10000噸非晶配電變壓器用帶材。2010年向市場提供40000萬噸非晶配電變壓器用帶材。為國家電力行業(yè)配電變壓器的應(yīng)用提供強(qiáng)力支持。因此我廠自行研制適合我廠實(shí)際情況的非晶合金變壓器具有重要

13、意義。1.3 美國非晶合金變壓器研制情況自1980年聯(lián)信公司首次推出15kva非晶變壓器以來，非晶配電變壓器研制工作有了很大的發(fā)展，750kva及以下的非晶配電變壓器已進(jìn)入了商品化的生產(chǎn)。最近，美國路易斯安那州什里夫波特市通用電氣公司成功地制造了至今世界上最大的2500kva三相非晶變壓器，它的空載損耗從2400w(硅鋼片)下降到845w。該公司還成功研制了1000kva、1500kva、2000kva 非晶變壓器。至1993年世界各國和地區(qū)非晶變壓器生產(chǎn)數(shù)量和1995年生產(chǎn)能力列于表1.1。精品.表1.1 世界各國和地區(qū)非晶變壓器生產(chǎn)情況美國日本歐洲中國中國臺灣1993年已經(jīng)生產(chǎn)(臺)115

14、00020000200樣機(jī)1995年生產(chǎn)能力(臺)1750006000010005000雖然非晶合金材料(2605s2)在減少空載損耗方面有其特殊的優(yōu)越性，各制造廠商在非晶變壓器發(fā)展過程中，還從不同角度做了大量研究工作，以證明非晶變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定性。據(jù)ieee1986報(bào)導(dǎo)，美國西屋公司生產(chǎn)的單相柱上式25kva非晶變壓器，技術(shù)性能如下表1.2：表1.2 美國西屋公司非晶變壓器技術(shù)性能表額定容量(kva)相數(shù)一次額定電壓(v)二次額定電壓(v)空載損耗(w)負(fù)載損耗(w，85)阻抗電壓(%，85)2517200120242493美國通用電氣公司(ge)早在1974年就認(rèn)識到非晶合金材料潛力，設(shè)在

15、紐約sehencrady的通用電氣公司研究所對此進(jìn)行了大量廣泛的研究。在變壓器的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵工藝上取得突破性進(jìn)展，并獲得專利。非晶變壓器研制在通用電氣公司始于1978年，小容量的模型產(chǎn)品曾進(jìn)行過試驗(yàn)，第一臺非晶變壓器于1982年4月13日正式投入運(yùn)行，該變壓器經(jīng)7年運(yùn)行，通過對空載損耗和空載電流的監(jiān)測，測量值與出廠時試驗(yàn)值基本一致。ce公司從1986年開始已能提供單相、三相非晶變壓器，它的空載特性與硅鋼變壓器的對比列表1.3，從表中可以看出，單相非晶變壓器空載損耗下降60%70%，空載電流下降50%60% ，三相非晶變壓器的空載損耗下降60%65% ，空載電流下降55%60%。精品.表1.3 非

16、晶變壓器與硅鋼片變壓器的性能比較型式kva非晶合金硅鋼片空載損耗(w)負(fù)載損耗(w)空載電流(%)阻抗(%)重量(kg)空載損耗(w)負(fù)載損耗(w)空載電流(%)阻抗(%)重量(kg)單相10121020.311.6318291110.61.830015161410.271.9422411430.71.932125183300.152.5441573140.362.540650294550.132.7719874620.233.270975377150.093.39941227150.383.0821100499440.093.011311629330.212.6961三相75519250.1

17、44.020301429560.314.120001509013970.103.9287022714290.243.5290030016518470.103.9436042524280.145.1360050023032820.094.8609061035890.184.6490075032733680.075.75660071352060.155.756800100041956260.075.758200103368390.175.757000ge公司生產(chǎn)的1000臺25kva非晶變壓器投入電網(wǎng)運(yùn)行后，有12臺返廠修理，其中3臺是由于雷擊高壓套管閃絡(luò)損壞，6臺低壓套管漏油，1臺過載250%時

18、導(dǎo)致繞組燒壞，還有2臺是從電線桿上掉下來捧壞，20000多臺其他各種容量非晶變壓器返廠修理的只有3臺，單相50kva和100kva各1臺，都是由于雷擊高壓套管閃絡(luò)損壞，1臺三相500kva是繞組損壞，上述損壞的變壓器經(jīng)修復(fù)，再次掛網(wǎng)運(yùn)行。這20000多臺非晶變壓器自1982年運(yùn)行至1989年，沒有1臺是因鐵芯故障而返修的。目前已有幾十萬臺非晶變壓器在美國掛網(wǎng)運(yùn)行。1.4 日本非晶合金變壓器研制情況在日本，由東京電力公司、takao電氣有限公司和日立電氣有限公司對非晶變壓器長期可靠性做了深入仔細(xì)的研究。他們從1991年起對不同容量的200臺非晶變壓器進(jìn)行了加速老化、現(xiàn)場運(yùn)行、短路、沖擊等試驗(yàn)，還

19、進(jìn)行了負(fù)載和振動對變壓器空載特性的影響測試。精品.為了取得非晶變壓器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，他們用1050kva的4個不同容量各50臺單相柱上式變壓器(csp型即全自保護(hù)型)進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)。被試變壓器在運(yùn)行期間空載特性的測量都是在現(xiàn)場進(jìn)行，并測試變壓器的油溫(用來計(jì)算空載特性隨溫度變化的修正值)，在變壓器接地線處安裝電磁傳感器，測量雷電電流。同時還測量負(fù)載電流和本體振動，觀察它們對空載特性的影響。200臺變壓器經(jīng)6個月現(xiàn)場運(yùn)行，其空載損耗變化不大，空載電流有所下降。日本方面的研究結(jié)果表明，非晶合金卷鐵芯配電變壓器，經(jīng)加速老化試驗(yàn)(包括終端試驗(yàn)在內(nèi)各項(xiàng)試驗(yàn))和200臺非晶變壓器現(xiàn)場運(yùn)行考核，在30年壽命期

20、內(nèi)空載特性是穩(wěn)定的。1.5 其他國家非晶變壓器研制情況加拿大第一臺非晶變壓器于1984年由聯(lián)邦先鋒公司(federal pioneer)制造，在薩斯克電氣公司(sask power)投入運(yùn)行。多年運(yùn)行證明，該變壓器空載特性保持不變，有較高的可靠性。安大略省北約克(north york)公司，1991年安裝11臺單相75kva(csp)非晶變壓器。其中2臺由abb加拿大公司制造，9臺由蒙羅尼(moloney electric)電氣公司制造。安大路省北約克公司安裝使用30臺50kva非晶變壓器，其中10臺由abb加拿大公司制造，20臺由蒙羅尼電氣公司制造。1992年蒙羅尼電氣公司制造20臺37.5

21、kva和10臺50kva非晶變壓器供尼亞加拉電力公司使用，其特性如表1.4所示3。表1.4 蒙羅尼電氣公司非晶變壓器性能表容量(kva)非晶變壓器硅鋼片變壓器pe(w)ph(w)pe(w)ph(w)37.5342551042755041335127339西班牙bilbaoabb trofedls sa公司最近制造的三相250630kva非晶變壓器，其特性如表1.5所示。精品.表1.5 西班牙sa公司非晶變壓器性能表容量(kva)非晶變壓器硅鋼片變壓器pe(w)ph(w)pe(w)ph(w)2501602300650325040021036509304600630300493013006500意

22、大利國營電力能源公司(enel)，1992開始研制160kva和250kva非晶變壓器各2臺，已順利地通過型式試驗(yàn)，其中2臺于1992年7月投入運(yùn)行。1992年以來，印度新德里非晶金屬有限公司(usha amorphors metals hd)生產(chǎn)25kva、63kva和100kva三相非晶變壓器共45臺，空載損耗為硅鋼片變壓器的30%40%。安裝于madhya pradsh的國家電力研究院。1.6 我國非晶合金變壓器研制情況我國非晶合金材料的研究主要集中在冶金部鋼鐵研究總院、上海鋼鐵研究所、北京冶金研究所、陜西鋼鐵研究所及東北大學(xué)等單位。1981年以前主要解決設(shè)備問題，1981年以后逐步建立

23、了我國的鐵基、鐵鎳及鈷基非晶合金材料體系。非晶電力變壓器是非晶合金材料的最大市場，非晶配電變壓器的開發(fā)，不但具有重大節(jié)能效益和社會效益，也是非晶合金材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。經(jīng)冶金部鋼鐵研究院、上海鋼鐵研究所、首鋼冶金所三家共同努力，到1990年底，已能成批制取l00mm寬的鐵基非晶帶材，其性能達(dá)到技術(shù)要求。用非晶合金材料研制的配電變壓器主要有：1986年6月上海變壓器廠研制成功國內(nèi)首臺非晶鐵芯配電變壓器，其鐵芯用美國聯(lián)信公司贈送的非晶合金材料(2605s2)，采用三柱、三框卷繞封閉形結(jié)構(gòu)，技術(shù)參數(shù)如下表1.6：表1.6 我國首臺非晶變壓器技術(shù)參數(shù)型號額定容量(kva)相數(shù)頻率一次額定電壓(v)二

24、次額定電壓(v)阻抗電壓(%)聯(lián)結(jié)組冷卻方式使用場所調(diào)壓方式s1430350100004004yyno油浸自冷戶外無勵精品.30/105%磁調(diào)壓該變壓器例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)全部合格，達(dá)到了預(yù)期技術(shù)要求，與同類型sl7配電變壓器相比，空載損耗下降了82% ，空載電流下降了94%，充分體現(xiàn)了非晶材料優(yōu)越的性能。表1.7列出了30kva非晶變壓器與同類變壓器對比數(shù)據(jù)。表1.7 30kva非晶變壓器與同類變壓器對比數(shù)據(jù)項(xiàng)目空載損耗(w)空載電流(%)負(fù)載損耗(w)阻抗損耗(%)繞組一次繞組兩次油頂層溫升(k)沖擊電壓峰值(kv)鐵芯重(kg)總重(kg)sl71502.88004656555751003

25、07非晶270.157444.1448.944.938.4751033651987年l2月30日該產(chǎn)品安裝在上海寶山縣綜合廠，投入電網(wǎng)試運(yùn)行至1990年2月27日，運(yùn)行情況良好。1990年3月，上海變壓器廠對該變壓器空載特性進(jìn)行復(fù)試，復(fù)試結(jié)果表明，空載特性無明顯變化。在現(xiàn)場運(yùn)行期間，對該產(chǎn)品共進(jìn)行了14次檢查和性能測試，前4次主要測量變壓器的各相電壓、電流，后10次測量了變壓器的空載損耗和空載電流，均無明顯變化。1986年9月寧波變壓器廠在上海鋼鐵研究所支持下，首次使用國產(chǎn)非晶合金材料研制成功一臺單相3kva干式電源變壓器，產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)如表8所示。為了便于比較，按同樣技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)了一臺用z1

26、00.35硅鋼片作鐵芯的變壓器，其性能也列于表1.8中。精品.表1.8 z100.35硅鋼片作鐵芯變壓器額定容量(kva)額定電壓(v)相數(shù)頻率材質(zhì)空載損耗(w)空載電流(a)負(fù)載損耗(w/kg)阻抗電壓鐵芯重（kg）總重（kg）3230/36150設(shè)計(jì)值252198.118.521鐵基非晶設(shè)計(jì)值61948.615.420.1試驗(yàn)值3.852.14193.38.3416.220.1 (3)上海冶金設(shè)備總廠于1988年研制成功三相油浸自冷非晶變壓器，技術(shù)參數(shù)如下表1.9。表1.9 上海三相油浸自冷非晶變壓器技術(shù)參數(shù)額定容量(kva)相數(shù)一次額定電壓(v)二次額定電壓(v)空載損耗(w)頻率(hz

27、)聯(lián)結(jié)組冷卻方式使用場所空載損耗(w)負(fù)載損耗(w)阻抗電壓(%)1003105%0.12450yyn0油浸自冷戶內(nèi)1872493精品.該變壓器的鐵芯采用傳統(tǒng)疊片式三柱結(jié)構(gòu)，芯柱截面為內(nèi)接七級多邊形，鐵軛為t型結(jié)構(gòu)。芯柱直徑為mm，最大片寬160mm，芯柱截面積為178，疊片系數(shù)0.8，非晶鐵芯總重319.2kg(芯片中有硅鋼片11.2kg，占總重量的3.4%)。高、低壓繞組采用圓筒式結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線重量為98kg。該廠在應(yīng)力和退火處理工藝對非晶材料空載特性的影響方面，做了大量研究工作，當(dāng)壓應(yīng)力由零增長到0.3mpa時，鐵芯比損耗由0.2w/kg增大到0.28w/kg。非晶材料樣品比損耗為0.18w

28、/kg，成品增大到0.54w/kg。鐵芯在380 ，磁場強(qiáng)度為2000a/m。氬氣保護(hù)下退火處理，空載損耗為174w，空載電流1.58% ，比損耗為0.52w/kg。裝配后空載損耗上升到187w，增加了7.5% 。1989年8月和1990年7月，上海鋼鐵研究所分別與洛陽變壓器廠和太倉變壓器廠共同研制出三相30kva和50kva非晶配電變壓器各一臺，其基本技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)值列于表1.10。表1.10 上海鋼鐵研究所非晶合金變壓器技術(shù)參數(shù)額定容量(kva)額定電壓(v)相數(shù)頻率(hz)聯(lián)結(jié)組材質(zhì)空載損耗(w)空載電流(a)負(fù)載損耗(w)鐵芯重(kg)總重(kg)工廠30105%/0.4350yyn0

29、標(biāo)準(zhǔn)值50800洛陽變壓器廠試驗(yàn)值40.51.03797s7標(biāo)準(zhǔn)值1502.880050105%/0.4350yyn0標(biāo)準(zhǔn)值650.41091太倉變壓器廠試驗(yàn)值610.51062205582s7標(biāo)準(zhǔn)值1902.61150115375s標(biāo)準(zhǔn)值1702.2870139455精品.洛陽變壓器廠試制的30kva非晶變壓器，鐵芯為三柱雙窗卷繞式，直徑115mm，分為四級，疊片系數(shù)取0.72。該鐵芯穿線用臨時繞上幾匝的辦法來試驗(yàn)。空載損耗為36.8w(b=1.3t)，成品試驗(yàn)上升到40.5w，與同容量s7型(150w)相比較下降了73%?？蛰d電流下降了63.2%。太倉變壓器廠采用同樣的鐵芯結(jié)構(gòu)，但芯柱截面

30、近似圓形(微階梯形)，鐵芯重205kg，空載損耗61w。分別比s7型和s9型下降了68%和64% ，空載電流0.5% ，分別比s7型和s9型下降了80.7%和77%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。長沙變壓器廠于1990年12月共試制2臺三相50kva非晶變壓器，其中一臺是國產(chǎn)鐵基非晶合金，另一臺是美國聯(lián)信公司提供的2605s2非晶材料。寬度為l00mm，鐵芯采用疊片式，非晶材料的剪切粘合和退火均由上海鋼鐵研究所協(xié)助加工。鐵芯截面為矩形，疊片系數(shù)取0.81，鐵芯重177kg，變壓器設(shè)計(jì)時磁通密度取1.14t。這兩臺變壓器鐵芯疊裝工藝與眾不同。首先將經(jīng)浸漆烘干的矩形繞組放在平臺上，并調(diào)整好中芯位置，然后在繞組中放

31、上夾板，非晶鐵芯片就在夾板上進(jìn)行疊裝。為了增加鐵芯的強(qiáng)度，在非晶合金片每隔16mm放一層0.35mm的冷軋硅鋼片。在疊裝過程中，鐵芯經(jīng)多次壓裝才達(dá)到厚度(163mm)要求。在177kg鐵芯中約有3.84kg(2.15%2.28%)硅鋼片。試制結(jié)果表明，國產(chǎn)非晶材料的疊片系數(shù)達(dá)0.81，美國的可達(dá)0.89。成品的最終試驗(yàn)結(jié)果列于表1.11。表1.11 國產(chǎn)非晶材料成品性能產(chǎn)品型號空載損耗(w)空載電流(%)負(fù)載損耗(w)總損耗(w)阻抗電壓(%)銅重(kg)油重(kg)總重(kg)外形尺寸(mm)s1450/10/0.4國產(chǎn)料98.21.9810801178.24.378914054088069

32、01060s1450/10/0.4(2605s2)86.31.8710931179.34.49891405408806901060s750/10/0.4(z100.35)1871.1115013373%65.21064309607201121精品.根據(jù)開發(fā)非晶合金電力變壓器的要求，1994年由沈陽變壓器研究所統(tǒng)一設(shè)計(jì)，并組織天津、上海、北二變、佛山、遼陽和保定等六個變壓器廠，試制了sh11160、200、315、500kva四種規(guī)格共6臺樣機(jī)，并于1995年8月30日通過國家鑒定。而后，上海變和佛山變又在6臺樣機(jī)基礎(chǔ)上，在聯(lián)信公司的支持下，分別又各增加試制兩臺。這10臺變壓器一次電壓都是l0k

33、v5%，二次電壓400/230v，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號dynll，其他的性能數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值列于表1.12中，為了便于比較，表1.12也列出了s9型產(chǎn)品的數(shù)值。表1.12 上海變生產(chǎn)的非晶變壓器性能數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值對比型號空載損耗(w)空載電流(%)負(fù)載損耗(w)阻抗電壓(%)噪聲db(a)溫升(k)備注高壓繞組低壓繞組變壓器油s91604001.422004sh11200設(shè)計(jì)值1050.2721704.0840.7遼陽變實(shí)測值910.3124353.7551.849.9247.7234.1s92005001.326004sh11200設(shè)計(jì)值1300.2725544.0141.5北二變實(shí)測值113.

34、40.2126673.8545.650.550.737.4s9500960151004sh11315設(shè)計(jì)值1900.253590443.4天津變實(shí)測值1600.1738404.1849.8856.4754.4347.8s9500960151004sh11500設(shè)計(jì)值2700.2251263.924.8.4上海變實(shí)測值2320.1451423.8251.957.3645.9145.9精品.上述變壓器，按照gb1094.1585電力變壓器、gb6451.184三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求、gb311.16 83高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合、zbk4100589變壓器聲級的有關(guān)規(guī)定和要求做了全部試

35、驗(yàn)(短路試驗(yàn)除外)。上變廠的產(chǎn)品還通過了短路試驗(yàn)。從表1.12可以看出，空載損耗與設(shè)計(jì)值基本相等，比s9型產(chǎn)品下降75% 以上(其中315kva空載損耗下降幅度最大，為81%)，空載電流下降80%左右。短路損耗的實(shí)測值較設(shè)計(jì)值偏高，可能由于壓緊結(jié)構(gòu)件增加，在結(jié)構(gòu)件上產(chǎn)生附加損耗造成的。在今后設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意。由于我國長期受蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)影響，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)往往是三相四線制，因此變壓器是三相芯式結(jié)構(gòu)，而非晶變器鐵芯采用四框五柱式。在三相對稱電壓作用下，三相鐵芯柱內(nèi)是一三相對稱磁對稱磁通，則有 (1.1) (1.2)將方程式組(1.2)相加后然后用(1.1)式代人可得其物理意義很清楚，和它們不但大小相同而且

36、方向也一致。與。則有： 所以 =oa ，同理可得均為芯柱磁通的。在大型變壓器設(shè)計(jì)時考慮到鐵芯的非線性，上下鐵軛的截面通常是鐵柱截面的65%旁軛取44%，但是由于非晶鐵芯結(jié)構(gòu)因素，鐵軛和旁軛面積相等，都是鐵柱面積的一半。因此在設(shè)計(jì)時磁密選取不宜過高，否則將影響其空載特性。2 我廠非晶合金變壓器研制情況2.1 變壓器原理在一次繞組上外施一個變流電壓u1便有i0流入，因而在鐵芯中激勵一個交流磁通，磁通同時也與二次繞組匝鏈。由于磁通的交變作用在二次繞組中便感應(yīng)出電勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，繞組的感應(yīng)電勢正比于二次繞組的匝數(shù)。因此只要改變二次繞組的匝數(shù)，便能改變電勢精品.的數(shù)值，如果二次繞組接上用電設(shè)備

37、，二次繞組便有電壓輸出，這就是變壓器的工作原理，其原理圖如圖2.1。圖2.1 變壓器工作原理圖在原線圈(一次繞組)上加交變電壓，原線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量。這個交變磁通量既穿過原線圈，也穿過副線圈(二次繞組)，在原、副線圈中都要引起感應(yīng)電動勢。如果副線圈電路是閉和的，在副線圈中就產(chǎn)生交變電流，它也在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量。這個交變磁通量既穿過副線圈，也穿過原線圈。在原、副線圈中同樣要引起感應(yīng)電動勢。在原、副線圈中由于有交變電流而發(fā)生的互相感應(yīng)現(xiàn)象，叫做互感現(xiàn)象?；ジ鞋F(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)。由于互感現(xiàn)象，繞制原線圈和副線圈的導(dǎo)線雖然不相連，電能卻可以通過磁場從原線圈到達(dá)副線圈

38、。假設(shè)初級、次級繞組的匝數(shù)分別為n1、n2，當(dāng)變壓器的初級接到頻率為f，電壓為v1的正弦變流電源時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，鐵芯中的交變磁通將分別在一、二次繞組中感應(yīng)出電勢，一次繞組感應(yīng)電勢為： (2.1)式中的為磁通的變化率，負(fù)號表示磁通增大時，電勢的實(shí)際方向與電勢的正方向相反。如果不計(jì)漏阻抗，根據(jù)回路電勢平衡規(guī)律可得： 其數(shù)值： (2.2)在二次側(cè)同理可以得出： 精品.(2.3) 由(2.2)，(2.3)式之比得 (2.4)式中k就是變壓器的變比，或稱匝數(shù)比，設(shè)計(jì)時選擇適當(dāng)?shù)淖儽染涂梢詫?shí)現(xiàn)把一次側(cè)電壓變到需要的二次電壓4。2.2 變壓器的主要參數(shù)2.2.1 額定電壓變壓器的一個作用就是改變電壓，

39、因此額定電壓是重要數(shù)據(jù)之一。額定電壓是指在多相變壓器的線路端子間或單相變壓器的端子間指定施加的電壓，或當(dāng)空載時產(chǎn)生的電壓，即在空載時當(dāng)某一繞組施加額定電壓時，則變壓器所有其它繞組同時都產(chǎn)生電壓。變壓器的額定電壓應(yīng)與此連接的輸變線路電壓相符合。我國輸變電線路電壓等級(kv)為0.38 、3、6、10、15(20)、35、63、110、220、330、500、750。輸變電線路電壓等級就是線路終端的電壓值。因此，連接線路終端變壓器一側(cè)的額定電壓與上列數(shù)值相同。線路始端(電源端)電壓考慮了線路的壓降將此等級電壓高，35kv以下電壓等級的始端電壓比電壓等級要高5%。而35kv及以上的要高10%。因此，

40、變壓器的額定電壓也相應(yīng)提高，線路始端電壓值(kv)0.4、3.15、6.3、10.5、15.75、38.5、69、121、242、363、550。由此可知高壓額定電壓等于始端電壓的變壓器為升壓變壓器，等于線路終端電壓(電壓等級)的變壓器為降壓變壓器。變壓器產(chǎn)品系列是以高壓的電壓等級而分的，現(xiàn)在電力變壓器的系列分為10kv及以下系列，35kv系列，63kv系列，110kv系列，220kv和550kv系列等。額定電壓是指線電壓，且均以有效值表示5。2.2.2 額定容量變壓器的主要作用是傳輸電能，因此，額定容量是它的主要參數(shù)。額定容量是一個表現(xiàn)功率的慣用值，它是表征傳輸電能的大小，以kva或mva表

41、示，當(dāng)對變壓器施加額定電壓時，根據(jù)它來確定在規(guī)定條件下不超過溫升限制的額定電流。雙繞組變壓器的額定容量即為繞組的額定容量，(由于變壓器的效率很高，通常一、精品.二次側(cè)的額定容量設(shè)計(jì)成相等)，多繞組變壓器應(yīng)對每個繞組的額定容量加以規(guī)定。其額定容量為量大的繞組額定容量；當(dāng)變壓器容量由冷卻方式而變更時，則額定容量是指量大的容量。我國現(xiàn)在變壓器的額定容量等級是按r81.26的倍數(shù)增加的，如容量有100、125、160、200kva等，只有30kva和63000 kva以外的容量等級與優(yōu)先數(shù)系有所不同。1967年以前變壓器的額定容量等級是按 的倍數(shù)增加的r8系列。對于單相變壓器 (2.5)對于三相變壓器

42、 (2.6)變壓器的容量大小與電壓等級也是密切相關(guān)的。電壓低，容量大時電流大，損耗增大；電壓高，容量小時絕緣比例過大，變壓器尺寸相對增大，因此，電壓低的容量必小，電壓高的容量必大5。2.2.3 額定電流和頻率變壓器的額定電流是由繞組的額定容量除以該繞組的額定電壓及相應(yīng)的系數(shù)(單相為1，三相為)，而并得的電流經(jīng)繞組線端的電流。因此變壓器的額定電流就是各繞組的額定電流，是指線電流，也以有效值表示(要注意組成三相的單相變壓器)。額定頻率是指對變壓器所設(shè)計(jì)的運(yùn)行頻率，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率為50hz5。2.2.4 空載電流和空載損耗空載電流是指當(dāng)向變壓器的一個繞組(一般是一次側(cè)繞組)施加額定頻率的額定電壓時

43、，其它繞組開路，流經(jīng)該繞組線路端子的電流，稱為空載電流其較小的有功分量用以補(bǔ)償鐵芯的損耗，其較大的無功量用于勵磁以平衡鐵芯的磁壓降?？蛰d電流 (2.7)通常io以額定電流的百分?jǐn)?shù)表示：精品. (2.8) 空載電流的有功分量是損耗電流，所汲取的有功功率稱空載損耗po，即指當(dāng)以額定頻率的額定電壓施加于一個繞組的端子上，其余各繞組開路時所汲取的有功功率。忽略空載運(yùn)行狀態(tài)下的施電線繞組的電阻損耗時又稱鐵損。因此，空載損耗主要決定于鐵芯材質(zhì)的單位損耗。2.2.5 阻抗電壓和負(fù)載損耗雙繞組變壓器當(dāng)一個繞組短接(一般為二次側(cè))另一繞組流通額定電流而施加的電壓稱阻抗電壓uz，多繞組變壓器則有任意一對繞組組合的

44、uz。通常阻抗電壓以額定電壓百分比表示 (2.9)(且應(yīng)折算到參考溫度)一個繞組短接(一般為二次)。另一繞組流通額定電流時所汲取的有功功率稱為負(fù)載損耗pr. 負(fù)載損耗最大一對繞組的電阻損耗附加損耗。附加損耗包括繞組溫度損耗，并繞導(dǎo)線的環(huán)流損耗，結(jié)構(gòu)損耗和引線損耗，其中電阻損耗也稱為銅耗，負(fù)載損耗也要折算到參考溫度。2.2.6 磁密選取磁密設(shè)計(jì)對于非晶合金干式變壓器的成本、性能、噪聲等級都有決定性的作用，是非晶變壓器設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的參數(shù)。由于非晶合金材料的特殊性，其飽和磁密小于1.5 t，遠(yuǎn)低于冷軋硅鋼片的飽和磁密(約為2.0 t)。且非晶合金飽和后損耗和發(fā)熱十分嚴(yán)重，有被單方向磁化的可能。因此

45、在電磁設(shè)計(jì)中，工作磁密必須合理選取。另外，變壓器的噪聲主要來源于鐵芯材料的磁致伸縮引起的鐵芯振動，非晶合金的磁致伸縮程度比硅鋼片高10%左右。為了降低噪聲，非晶合金鐵芯必須取得與冷軋硅鋼片鐵芯相同或相近的磁致伸縮，因此，非晶合金干式變壓器所選取的工作磁密就要求低于冷軋硅鋼片。非晶合金鐵芯的截面相應(yīng)增大約50%，鐵芯質(zhì)量增加約40%，這在一定程度上使變壓器噪聲及成本增加。經(jīng)研究表明，磁密每升高0.05 t，其空載噪聲約增加2 db，如果制成變壓器成品，噪聲可增加5 db左右。因此，選擇適當(dāng)?shù)拇琶苁窃O(shè)計(jì)非晶合金干式變壓器的關(guān)精品.鍵，既要考慮磁密對噪聲的影響，也要兼顧磁密對材料成本的制約，在符合噪

46、聲要求的前提下盡量減少鐵芯用量。根據(jù)目前非晶合金干式變壓器的制造經(jīng)驗(yàn)和制造水平，鐵芯工作磁密選取在1.3以下較為適合，但必須和企業(yè)自身的工藝水平結(jié)合起來綜合考慮6。2.3 非晶合金材料2.3.1 非晶合金材料概況非晶合金材料(如圖2.2)的基礎(chǔ)元素是由鐵(fe)、鎳(m)、鈷(co)、硅(si)、硼(b)、碳(c)等組成。非晶合金鋼帶就是使熔化的合金材料經(jīng)噴嘴噴射到快速轉(zhuǎn)動的冷卻底盤上，以106/s的速度急劇冷卻，這樣在冷卻盤的表面形成尚未結(jié)晶但已固化的非晶合金材料7。ab圖2.2 圖a為結(jié)晶原子排列圖，圖b為非結(jié)晶原子排列圖所謂的“非晶態(tài)”是相對于晶態(tài)而言的，是固體物質(zhì)的一種結(jié)構(gòu)狀態(tài)。非晶態(tài)

47、材料和晶態(tài)材料兩者的結(jié)構(gòu)沒有絕對的界限，主要區(qū)別在于晶態(tài)結(jié)構(gòu)具有短程序和長程序而非晶態(tài)結(jié)構(gòu)僅有短程序而無長程序，屬于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)。就廣義理解，非晶態(tài)材料包括非晶態(tài)合金、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)超導(dǎo)體、非晶態(tài)電介質(zhì)、非晶態(tài)離子導(dǎo)體、非晶態(tài)高聚合物以及傳統(tǒng)的氧化物玻璃等，其原子的結(jié)合方式可以是金屬鍵、共價(jià)鍵、范德瓦爾斯鍵、氫鍵和離子鍵結(jié)合。精品.歷史上首次報(bào)道成功地制備非晶合金是在1934年由krame用蒸發(fā)沉積方法獲得的非晶合金膜。此后不久，brenner等人采用化學(xué)沉積法制備了nip非晶薄膜，1959年bemal首次用密集的自由堆積硬球模型來解釋非晶結(jié)構(gòu)；同年，cohen等人根據(jù)自由體積模型做出預(yù)

48、言“假如冷卻到足夠快的程度，即使最簡單的液體也可以通過玻璃化轉(zhuǎn)變”，這一點(diǎn)很快被證明是正確的。1960年美國加州理工學(xué)院發(fā)明了快速冷卻制備非晶態(tài)合金的方法，制備出ausi非晶合金箔，從工藝上突破了制備非晶態(tài)合金的關(guān)鍵難題，以后被加以發(fā)展，做到連續(xù)生產(chǎn)，這種從合金熔體經(jīng)急冷形成的非晶合金又稱金屬玻璃。1969年pond和maddin關(guān)于制備一定連續(xù)長度條帶技術(shù)的發(fā)明是制備非晶合金的決定性的發(fā)展。這一技術(shù)為大規(guī)模生產(chǎn)非晶合金創(chuàng)造了條件，激發(fā)了人們對研究開發(fā)非晶合金的濃厚興趣。同年，陳鶴壽等人用軋輥軋出厚幾毫米，長可達(dá)幾十米的薄帶，為非晶合金的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。與此同時，tumbull將成核理論

49、運(yùn)用于金屬玻璃，提出了非晶形成的物理機(jī)理，1974年陳鶴壽以及turnbu11等人通過石英管水淬法等抑制非均質(zhì)形核的方法，在103 k/s淬火速率下制備出直徑達(dá)13mm的pdcusi. pdnip非晶圓柱棒。雖然僅限于pd，pt等貴金屬。之后如何制備相對便宜的塊狀非晶合金材料成為材料科學(xué)家們的一個研究熱點(diǎn)。到80年代末期，日本東北大學(xué)的inoue等創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)了一系列具有極低臨界冷速(約為1至幾百k/s)的多組元成分塊體非晶合金。這一成果使塊狀非晶合金的研究獲得了突破性的進(jìn)展。他們首先發(fā)現(xiàn)mgnila， laaltm (tm=ni，cu，fe)系列非晶合金，其中l(wèi)a55ai25ni20的tx=

50、69k (其中tx=tx t:過冷液相區(qū)，t:晶化溫度)，并用低壓鑄造的方法制備出非晶合金板。1990年，zraltm被研制出來，其臨界冷卻速度在1100k/s之間，最大厚度達(dá)34mm。隨后，inoue及johnson等采用金屬模澆鑄方法系統(tǒng)評估合金熔體轉(zhuǎn)變成非晶合金的臨界冷卻速率，分別又在fe基、zr基合金中發(fā)現(xiàn)有高的非晶形成能力的合金體系，主要有fe(a1，ga)(p，b，c，si)， (fe，co，ni)zrb，zraitm1121， zrtialtm1101， zrtitm113，141 ， zrtitmbe1等。1991 年inoue等人研究了zr65ai75cu2.5，發(fā)現(xiàn)在整個成

51、分范圍內(nèi)非晶合金具有良好的彎曲性能其中zr65ai7.5nil0cu17，非晶合金的過冷液相區(qū)高達(dá)tx= 127k。在1993年，inoue 通過石英管熔體水淬法制得直徑為16mm，長為150mm 的johnson等人用水淬法制得直徑達(dá)14mm，重達(dá)20多公斤的zr41.2ti13.8cu12.5nibe22.5非晶合金，臨界冷卻速率在1 k/s左右，其非晶形成能力己接近傳統(tǒng)氧化物玻璃。精品.由于塊體非晶合金具有優(yōu)越的性能和廣闊的應(yīng)用前景，非晶合金的學(xué)術(shù)及應(yīng)用上的重要性在國際上引起了廣泛的關(guān)注。如在日本，塊體非晶合金的研究是文部省1998年最大的研究項(xiàng)目；在美國，其陸軍2000年批準(zhǔn)了一項(xiàng)30

52、00萬美元的塊體非晶合金研究計(jì)劃；歐共體2000年也專門立項(xiàng)組織歐洲十個重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合攻關(guān)，致力于這種新材料的研究和開發(fā)應(yīng)用。我國的非晶態(tài)合金材料的研究也得到了蓬勃的發(fā)展。從1976年開始非晶態(tài)合金的研究工作，己初步形成了非晶合金科研開發(fā)和應(yīng)用體系，達(dá)到國際先進(jìn)水平，共取得100多項(xiàng)科研成果和20多項(xiàng)專利，為鼓勵和支持新材料的研究與開發(fā)，國家己經(jīng)設(shè)立了用于非晶態(tài)材料的研究與開發(fā)方面的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、863項(xiàng)目、國防科技項(xiàng)目等。隨著“國家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中芯”的組建和“千噸級非晶帶材生產(chǎn)線”的建立，非晶合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也將大大加快，將為我國電力電子工業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。 在塊體非晶合金方面在國家基金委和中科院的建議和支持下，2000年5月中旬在北京召開了首屆“塊體非晶合金材料學(xué)術(shù)研討會”。會上交流了我國近年來在塊體非晶制備，結(jié)構(gòu)及性能研究方面取得的有特色的成果，探討了我國非晶合金研究領(lǐng)域中尚存在的問題。并于2002年9月在大連理工大學(xué)召開了第二屆塊體非晶態(tài)材料學(xué)術(shù)研討會，與會專家認(rèn)為非晶合金的形態(tài)突破了粉、線、帶而進(jìn)入塊體材料，應(yīng)用領(lǐng)域隨之大大擴(kuò)展，目前國內(nèi)正出現(xiàn)研究非晶的熱潮，國家自然科學(xué)基金委也將該類項(xiàng)目列為重點(diǎn)基金加以支持。第三屆國際塊體非晶態(tài)材料學(xué)術(shù)交流大會已于2003年10月在北京召開，