非晶合金配电变压器的技术性能分析
时间：2019-05-30 文章来源：
非晶合金配电变压器是一种采用新材料、新结构、新工艺的节能型配电设备，其铁心材料是一种非晶合金，与传统硅钢铁心相比，具有突出的低空载损耗特性。介绍了非晶合金配电变压器的结构特性、机械应力敏感性，分析了性能参数以及低空载损耗特性的稳定性，探讨了 SH15 型非晶合金配电变压器产品的有功损耗率与负载率的关系，对比分析了 SH15 型非晶合金配电变压器与 S11 型配电变压器的效率特性和年综合损耗，为评价非晶合金配电变压器的技术性能提供了参考依据。
非晶合金配电变压器是一种新型节能配电变压器，具有突出的低空载损耗特性。配电变压器处于电力系统的末端，是供电环节中重要也是较普遍的一次设备，其容量较小，一般在2.5MVA及以下。尽管配电变压器单台容量远小于高电压等级的变压器，但其分布广、数量多、总容量大。中国属于农业大国，农村电网中的季节性负荷明显、全年轻载或空载运行时间长。相关统计表明，农村电网中的配电变压器损耗占农村配电网损耗的60%~ 70%，配电变压器运行效率低。目前技术较成熟的油浸式非晶合金配电变压器各容量等级的空载损耗值仅为 S9 型配电变压器的 1/4 左右。随着非晶合金材料的完全国产化、非晶合金配电变压器制造技术的逐步完善、生产工艺水平的不断提高以及生产成本的下降，非晶合金配电变压器在我国配电网中具有较好的应用潜力。
非晶合金配电变压器特性分析
1.1 结构特性
非晶合金配电变压器一般为三相四框五柱式结构，联结组通常采用 Dyn11，可以减少谐波对电网的影响，改善供电质量。特殊需求时，也可采用三相三柱式结构和 Yyn0 联结组别。三相四框五柱式结构不适于采用 Yyn0 联结方式，原因是三相负荷不平衡时会引起严重的三相电压失衡。
1.2 机械应力敏感性
非晶合金配电变压器的铁心是由非晶合金带材绕制而成，非晶合金对机械应力非常敏感。静态机械应力是由铁心自身重量和套装绕组产生的。动态机械应力是绕组通过短路电流后所产生的冲击力。非晶合金铁心在成型过程中会受到张应力或弯曲应力作用，这些应力都会在一定程度上影响非晶合金铁心性能，如空载损耗会随着铁心所受应力的增大而增加，因此应选择合理的装配结构，尽可能减少非晶合金铁心表面的压力。在设计中，可使非晶合金配电变压器绕组的压紧和固定自成体系，尽量减少装配及铁心自重产生的应力。在生产制造中，应注重提高非晶合金配电变压器的退火工艺水平，尽可能消除应力的影响。
1.3 空载损耗分析
非晶合金配电变压器因其铁心材料性质而具有低空载损耗特性，负载损耗与传统硅钢配电变压器基本相当。SH15 型非晶合金配电变压器与 S9 型、 S11 型配电变压器空载损耗对比情况具体如图 1 所示。
由图 1 可知，SH15 型非晶合金配电变压器空载损耗比S9 型传统配电变压器平均降低约 75%，比 S11 型传统配电变压器平均降低约 65%。
非晶合金配电变压器与传统硅钢配电变压器相比具有突出的低空载损耗特性，但在电力系统中，挂网运行后是否能够较好地保持这种特性一直是用户所关注的焦点问题。
1.4.1 国外分析实例
1982 年第一台非晶合金配电变压器在美国挂网运行，1983 年美国电力研究院、通用电气公司及纽约州电力公司开始关注非晶合金配电变压器运行性能的稳定性问题，并于 1985 年将 1 000 台额定容量为 15 kVA 和 25 kVA 的变压器送到 90 个美国电力研究院成员单位进行现场试验，对其中一台 25 kVA 单相非晶合金配电变压器的跟踪测试情况如表 1 所示。由表 1 测试数据可知，非晶合金配电变压器的空载性能参数尽管存在起伏现象，但总体趋势基本是稳定的。
日本东京电力公司、Takao 电气有限公司和日立电气有限公司对非晶合金配电变压器的长期可靠性做了深入、细致地研究。自 1991 年起，对 200 台不同容量的非晶合金配电变压器进行了加速老化、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。研究结果表明，非晶合金配电变压器在 30 a 寿命期内，其空载特性是稳定的，运行是可靠的。日本电力中央研究所一份关于卷铁心型非晶变压器长期运行的性能状况的报告中指出，给非晶合金配电变压器施加相当于 20 a 以上的热应力后，其铁损只有很小的变化，在长期短路试验的机械应力作用下，其性能未发生很大变化。
1.4.2 国内分析实例
1995 年，甘肃省天水市北道区电力局作为非晶合金配电变压器试运行单位对 10 台挂网运行 2 个月的非晶合金配电变压器进行了测试，测试结果与运行前的测试值基本一致。
引进美国通用电气技术规模生产非晶合金配电变压器的公司，也对本公司已运行多年的非晶合金配电变压器的技术性能参数进行过复试，主要考察了非晶合金配电变压器空载特性的稳定性，具体测试情况如表 2 所示。
由表 2 可以看出，运行 2~7 a 的非晶合金配电变压器的空载损耗数值变化不大，绝大部分空载损耗值还有所下降，其中编号为 BS01008 的空载损耗值比初次出厂数据有所增加，其增加幅度为 8.3%。部分复测的空载电流、负载损耗以及短路阻抗电压也基本保持平稳。
2009 年，中国电力科学研究院电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心对已运行的三相油浸式非晶合金配电变压器的主要技术性能参数进行了现场抽测，具体测试情况如表 3 所示。
由表 3 可以看出，容量为 30 kVA 的 2 台非晶合金配电变压器空载损耗与出厂试验值相比有所增加，但仍在标准值允许的范围之内(空载损耗标准)
值为 33 W，允许偏差为+15%，即为 37.95 W)；而容量为 80 kVA 和 125 kVA 的非晶合金配电变压器的空载损耗与出厂试验相比有所下降，负载损耗数值与铁心性质无关，由现场测试数据可以看出，只有 125 kVA 的非晶合金配电变压器有所升高，且升高幅度较大，其余均有所下降。
综合以上情况可以判断，非晶合金配电变压器在挂网运行后其空载损耗会成倍增加的说法缺乏依据，单相变压器及容量稍大(80 kVA 及以上)的三相油浸式非晶合金配电变压器的空载特性是基本稳定的。
结论
1）非晶合金配电变压器是一种采用新材料、新结构、新技术的节能型电气设备。因其非晶合金铁心材料的特殊性，具有明显的低空载损耗特性和机械应力敏感性，制造与装配工艺比传统配电变压器要求高，非晶合金配电变压器成品的空载特性在挂网运行后基本能够保持稳定。
2）非晶合金配电变压器的有功损耗率不仅与变压器自身的技术性能参数有关，还与负载率和功率因器在负载率为 20%~30%时，有功损耗率zui低。理论计算表明，负载率低于 60%时，节能效果明显。
3）额定容量和功率因数相同时，SH15 型非晶合金配电变压器的效率均高于 S11 型配电变压器。非晶合金配电变压器在负载率较低(20%~30%)时效率较高，具体还与变压器容量和功率因数等有关。
4）SH15 型非晶合金配电变压器的年综合损耗均低于 S11 型配电变压器，其降低值主要与变压器额定容量大小有关，而与实际负载率无关。
5）尽管非晶合金配电变压器与传统的硅钢配电变压器相比具有较好的低空载损耗特性，但目前用来制造非晶合金配电变压器铁心的非晶合金材料主要依赖进口，因此，非晶合金配电变压器设计制造技术实现完全国产化将是该领域的一个重要研究方向。
（文章来自中国电力科学研究院，侵删）
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