101-新型节能非晶合金铁芯变压器设计方案

新型节能非晶合金铁芯变压器设计方案目 录摘 要 11 绪论 31.1 引言 31.2 课题背景 41.3 美国非晶合金变压器研制情况 51.4 日本非晶合金变压器研制情况 71.5 其他国家非晶变压器研制情况 81.6 我国非晶合金变压器研制情况 92 我厂非晶合金变压器研制情况 152.1 变压器原理 152.2 变压器的主要参数 162.2.1 额定电压 162.2.2 额定容量 172.2.3 额定电流和频率 172.2.4 空载电流和空载损耗 182.2.5 阻抗电压和负载损耗 182.2.6 磁密选取 192.3 非晶合金材料 192.3.1 非晶合金材料概况 192.3.2 非晶合金的分类 212.3.3 非晶合金的物理性能和化学性能 222.3.4 非晶态合金的结构特点 232.3.5 非晶合金的应用 242.4 非晶合金铁芯变压器的结构及特点 2512.4.1 铁芯结构252.4.2 252.4.3 绝缘结构272.4.4 生产非晶合金铁芯变压器的技术难点及相应工艺保证措施272.4.5 非晶合金铁芯性能特点 282.4.6 变压器效率的计算 332.4.7 我厂产品展示352.5 我厂非晶合金变压器实测情况 363非晶合金变压器的实用效益分析 373.1 降损经济效益403.1.1 实测经济性分析 403.1.2 推广性分析413.2 投资回收分析433.3 静态投资回收年限 433.4 动态投资回收年限 44结论44参考文献44摘 要变压器是电力系统必不可少的设备之一， 其性能的改进几乎全部依靠所用的材料的2更新，以及绝缘结构、线圈结构、铁芯结构的变革。变压器效率的提高，完全是由于使用较低铁芯损耗的磁性材料，这种新型节能材料就是非晶合金材料。在我国推广应用非晶合金铁芯配电变压器对节能和环境保护有着重大意义。 非晶材料生产过程节能 70%，非晶变压器空载损耗减少 是双节能产品。据专家测算，相同规格的硅钢变压器与非晶变压器的市场价格之比已由数年前的 2回落到目前的1.3策，发展正逢其时[1]。因此，研制新型节能的非晶合金铁芯变压器具有重要意义。本文结合多年来各国关于非晶合金铁芯变压器的研究结果，通过技术人员的不断努力，再加上近年来的一些实测经验，终于研制出一系列适合我厂实际情况的非晶合金变压器，。铁芯技术经济性绪论引言变压器是电力系统必不可少的设备之一， 其性能的改进几乎全部依靠所用的材的更新，以及绝缘结构、线圈结构、铁芯结构的变革。变压器效率的提高，是由于使用3PAGEPAGE10较低铁芯损耗的磁性材料。初期制造变压器铁芯材料，曾经使用过软薄钢片和金属丝，但存在损耗大，时效差等问题。在本世纪初，英国啥德菲尔德 (Haefield)研制成硅钢薄片，1903德国和美国继研究成功热轧无取向电工钢片，在 50Hz、1.5T下单位损耗3.5W/Kg，使变压器铁芯材料获得突破性进展，此后 1934年美国高斯研制成冷轧取向电工硅钢片，并取得了专刊，单位损耗降到2.2W/Kg通过特定的冷轧和退火工艺， 将结晶轴调整到轧制方向排列，这种冷轧硅钢片大大提高了材料的性能，饱和磁通密度提高了 磁导率提高 倍1960年，日本开始进一步改善和发展高导磁冷轧晶粒取向硅钢片， 使单位损耗下降至0.74W/Kg。经过一个世纪的发展，导磁材料单位损耗不断降低，变压器空载损耗亦随之下降，图1.1表示了150KVA变压器从五十年代到九十年代铁芯损耗下降了一半还多。近年来，国内外各方面专家对非晶合金材料及非晶合金铁芯的变压器 (以下简称晶变压器)开展了广泛的研究和讨论，其目的是如何进一步降低变压器损耗，特别是配电变压器空载损耗的可能性及非晶变压器运行的可靠性 [2]。图1.1 150KVA 变压器铁芯损耗变化历程课题背景在我国推广应用非晶合金铁芯配电变压器对节能和环境保护有着重大意义。 非晶材料生产过程节能 70%，非晶变压器空载损耗减少 是双节能产品，据专家测算，相同规格的硅钢变压器与非晶变压器的市场价格之比已由数年前的 2回落到目前的以下。非晶变压器如果突破原材料供应制约瓶颈，加之又符合国家倡导的“节约资源，保护环境，建设节约性社会”的产业政策，发展正逢其时。一位电器行业的专家曾做过这样的分析，我国年均生产配电变压器约2.4KVA30%改用非晶材料，年生产非晶变压器为7200KVA200KVA为例，年产非晶变压器将达3613KW11.4KWh。相当节约电煤43.3万吨，减少燃煤有害气体排放1.1万吨。国家发改委、科技部、中国机械工业联合会等单位目前已经非常关注非晶配电变压器在中国的推广使用情况，安泰科技股份有限公司在多年非晶配电变压器铁芯开发应用的基础上，近期将在非晶配电变压器原材料的生产能力上进行大规模投资，万吨级非晶配电变压器带材生产线投资 2.6亿元在2007年提供500吨非晶配电变压器用带材，在2008年提供10000吨非晶配电变压器用带材。 2010年向市场提供40000万吨非晶配变压器用带材。为国家电力行业配电变压器的应用提供强力支持。因此我厂自行研制适合我厂实际情况的非晶合金变压器具有重要意义。美国非晶合金变压器研制情况自1980年联信公司首次推出 15KVA非晶变压器以来，非晶配电变压器研制工作有了很大的发展，750KVA及以下的非晶配电变压器已进入了商品化的生产。最近，美国路易斯安那州什里夫波特市通用电气公司成功地制造了至今世界上最大的 2500KVA相非晶变压器，它的空载损耗从 2400W(硅钢片)下降到 845W。该公司还成功研制了1000KVA、1500KVA、2000KVA 非晶变压器。至 1993年世界各国和地区非晶变压生产数量和1995年生产能力列于表 。美国日本欧洲中国中国台湾美国日本欧洲中国中国台湾1993年已经生产(台)1995能力(台)11500020000200—样机1750006000010005000虽然非晶合金材料(2605S2)在减少空载损耗方面有其特殊的优越性，各制造厂商在非晶变压器发展过程中，还从不同角度做了大量研究工作，以证明非晶变压器的运行稳定性。据IEEE1986报导，美国西屋公司生产的单相柱上式 25KVA 非晶变压器，技术能如下表表1.2 美国西屋公司非晶变压器技术性能表额定容量相数一次额定二次额定空载损耗负载损耗阻抗电压(KVA)电压(V)电压(V)(W)(W，85℃)(%，85℃)2517200120242493美国通用电气公司 (GE)早在 1974 年就认识到非晶合金材料潜力，设在纽约Sehencrady的通用电气公司研究所对此进行了大量广泛的研究。在变压器的结构和关键工艺上取得突破性进展，并获得专利。非晶变压器研制在通用电气公司始于1978年，小容量的模型产品曾进行过试验，第一台非晶变压器于1982413该变压器经7年运行，通过对空载损耗和空载电流的监测，测量值与出厂时试验值基本一致。CE公司从1986年开始已能提供单相、三相非晶变压器，它的空载特性与硅钢变压器的对比列表 从表中可以看出，单相非晶变压器空载损耗下降 载电流下降50%—60%，三相非晶变压器的空载损耗下降 60%—65%，空载电流下降55%—60%。表1.3 非晶变压器与硅钢片变压器的性能比较型 空载

非晶合金 硅钢片空载负载空载负载空载损耗损耗电流KVA式

损耗 损耗

阻抗电流(W)(W)(W)(W)(%)(W)(W)(%)单10121020.311.6318291110.61.8300相15161410.271.9422411430.71.9321

重量(Kg)

阻抗(%)

重量(Kg)25183300.152.5441573140.362.540650294550.132.7719874620.233.270975377150.093.39941227150.383.0821100499440.093.011311629330.212.696175519250.144.020301429560.314.120001509013970.103.9287022714290.243.52900三30016518470.103.9436042524280.145.13600相50023032820.094.8609061035890.184.6490075032733680.075.75660071352060.155.756800100041956260.075.758200103368390.175.757000GE公司生产的1000台25KVA非晶变压器投入电网运行后，有12台返厂修理，其中3台是由于雷击高压套管闪络损坏， 6台低压套管漏油，1台过载时导致绕组烧坏，还有2台是从电线杆上掉下来捧坏， 20000多台其他各种容量非晶变压器返厂修理的只有3台，单相50KVA和100KVA各1台，都是由于雷击高压套管闪络损坏， 1三相500KVA是绕组损坏，上述损坏的变压器经修复，再次挂网运行。这 20000多台非晶变压器自1982年运行至1989年，没有1台是因铁芯故障而返修的。目前已有几十万台非晶变压器在美国挂网运行。日本非晶合金变压器研制情况在日本，由东京电力公司、TaKao电气有限公司和日立电气有限公司对非晶变压器长期可靠性做了深入仔细的研究。他们从 1991年起对不同容量的 200台非晶变压器行了加速老化、现场运行、短路、冲击等试验，还进行了负载和振动对变压器空载特性的影响测试。为了取得非晶变压器的运行经验，他们用10—50KVA的4个不同容量各 50台单柱上式变压器(CSP型——即全自保护型)进行现场运行试验。被试变压器在运行期间空载特性的测量都是在现场进行，并测试变压器的油温 (用来计算空载特性随温度变化的修正值)，在变压器接地线处安装电磁传感器，测量雷电电流。同时还测量负载电流和本体振动，观察它们对空载特性的影响。 200台变压器经6个月现场运行，其空载损耗变化不大，空载电流有所下降。日本方面的研究结果表明，非晶合金卷铁芯配电变压器，经加速老化试验 (包括端试验在内各项试验)和200台非晶变压器现场运行考核，在 30年寿命期内空载特性是稳定的。其他国家非晶变压器研制情况加拿大第一台非晶变压器于 1984年由联邦先锋公司(Federal制造，在萨克电气公司(SasK投入运行。多年运行证明，该变压器空载特性保持不变，有较高的可靠性。安大略省北约克(NorthYorK)公司年安装11台单相75KVA(CSP)非晶变压器。其中2台由ABB加拿大公司制造，9台由蒙罗尼(MoloneyElectric)电气公司制造。安大路省北约克公司安装使用 30台50KVA非晶变压器其中10台由ABB加拿大公司制造，20台由蒙罗尼电气公司制造。1992年蒙罗尼电气公司制造 20台37.5KVA 和10台50KVA非晶变压器供尼亚拉电力公司使用，其特性如表 1.4所示[3]。容量(KVA)37.550非晶变压器容量(KVA)37.550非晶变压器Pe(W)3441Ph(W)255335硅钢片变压器Pe(W)104127Ph(W)275339西班牙Bilbao—ABBTrofedlsSA公司最近制造的三相 630KVA非晶变压器，其特性如表1.5所示。表1.5 西班牙 SA公司非晶变压器性能表容量(KVA)非晶变压器硅钢片变压器Pe(W)Ph(W)Pe(W)Ph(W)2501602300650325040021036509304600630300493013006500意大利国营电力能源公司 (ENEL)，1992开始研制160KVA和250KVA非晶变压器各2台，已顺利地通过型式试验，其中 2台于1992年7月投入运行。1992年以来，印度新德里非晶金属有限公司 (USHA Amorphors Metalshd)生产 25KVA、63KVA 100KVA 三相非晶变压器共 45台，空载损耗为硅钢片变压器的 40%。安装Madhya的国家电力研究院。我国非晶合金变压器研制情况我国非晶合金材料的研究主要集中在冶金部钢铁研究总院、上海钢铁研究所、北京冶金研究所、陕西钢铁研究所及东北大学等单位。 1981年以前主要解决设备问题， 1981年以后逐步建立了我国的铁基、铁镍及钴基非晶合金材料体系。非晶电力变压器是非晶合金材料的最大市场，非晶配电变压器的开发，不但具有重大节能效益和社会效益，也是非晶合金材料实现产业化的基础。经冶金部钢铁研究院、上海钢铁研究所、首钢冶金所三家共同努力，到 1990年底，已能成批制取 l00mm宽的铁基非晶带材，其性能达技术要求。用非晶合金材料研制的配电变压器主要有：1986年6月上海变压器厂研制成功国内首台非晶铁芯配电变压器， 其铁芯用美国信公司赠送的非晶合金材料 采用三柱、三框卷绕封闭形结构，技术参数如下表型号额容定量型号额容定量相数频率一次额 二 次额定(KVA)(V)电 压(%)联结 冷却 使用 调压组 方式 场所 方式(V)3035010000±5%4004Yyno自冷户外磁调压该变压器例行试验和型式试验全部合格， 达到了预期技术要求，与同类型SL7配变压器相比，空载损耗下降了 82%，空载电流下降了 充分体现了非晶