非晶合金铁心变压器研究

非晶合金铁心变压器研究

1、 前言
随着我国电力事业的发展及城农电网建设与改造的不断深入,非晶合金铁心变压器以其空载损耗低、节能、环保的明显优势,符合了我国政府倡导的“节约资源、保护环境、建设节约型社会”的产业政策,越来越受到广大电力用户的青睐。为了加快变压器产品的更新换代,提高节能水平,降低线路损耗,全国各地的变压器生产企业纷纷加大了对非晶合金铁心变压器的生产、研发力度。本文将结合笔者多年的工作经验,对非晶合金铁心变压器在设计和生产中的相关问题进行分析,以供大家借鉴参考。

2 、非晶合金材料
非晶合金材料是一种新型节能材料,其主要是以铁、镍、钴、铬、锰等金属为合金基,并加入少量的硼、碳、硅、磷等金属元素制成的,它具有良好的铁磁性。
非晶合金材料采用快速急冷凝固生产工艺,其物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列,它与硅钢的晶体结构完全不同,更有利于被磁化和去磁,加工成的非晶合金铁心带材厚度仅0.025mm厚,这种新型材料用于变压器铁心磁化过程相当容易。能够大幅度降低变压器的空载损耗。不过其磁通饱和值较传统的硅钢材料低(1.57T—1.59T),故非晶合金铁心在设计磁通密度时单相变压器一般取1.3T—1.4T,三相变压器一般1.25T—1.35T之间取值较理想。
非晶合金铁心材料对机械应力非常敏感,无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能,所以,铁心的损耗会随着应力的增大而增加。这需要在器身结构设计中加以充分考虑。
3、 非晶合金铁心变压器的结构及特点
3.1 铁心结构
非晶合金铁心采用的非晶合金带材加工工艺复杂,材质硬而脆,难以剪切,变形加工困难. 因此目前带材规格只有142mm、170mm、213mm三种宽度,非晶金铁心只能根据变压器容量需要采用相应宽度的带材制成长矩形截面,从结构形式上看,一般将下铁轭部分设计成有交错搭接布置接缝的开口单卷卷铁心结构,以便于组合成单相或三相变压器铁心。
目前国内三相非晶合金铁心变压器铁心结构,主要有三相五柱(如图一)和三相平面式卷铁心(如图二)两种。其中采用三相五柱式的较为普遍,通常10KV级、容量500KVA以下的小型配变采用4个卷铁心的四框五柱结构,容量较大时由于受到非晶合金带材宽度的限制,一般采用8个卷铁心分前后两排叠放在一起,形成较大截面积的铁心结构,采用这种叠放结构,可使非晶合金铁心变压器单台容量达到2500KVA。
在非晶变压器设计中,非晶带材铁心的叠片系数取值一般在0.82—0.86区间,而空载损耗工艺系数一般取1.4左右较为合适,在铁心开口叠加处厚度系数上国内大致有1.25和1.18两种。其值的具体选用应在生产前与所选用的非晶合金铁心生产厂家确定。

3.2 线圈结构
由于非晶合金铁心变压器的铁心采用长方形截面,因此非晶合金铁心变压器的高低压线圈也相应的采用长方形(如图三),在设计中应合理选择矩形线圈的长宽比,使导线平均匝长与非晶合金铁心重量最优化,发达地区线圈导线一般选用漆包扁铜线或铜箔来加工。.

非晶合金铁心变压器绕组的结构形式基本同于普通S9或S11型绕组,即高压采用多层圆筒式,低压采用双层、四层圆筒式或箔式线圈结构。在国内,非晶合金铁心变压器绕组考虑到高次谐波等原因,联结组别一般采用DYN11居多,即高压绕组为D联结,低压绕组为YN联结,从而对改善高低压线圈电压波形,降低电力网高次谐波垃圾都起到很好的作用。
非晶合金铁心变压器的高低压绕组均为矩形线圈,在绕制中及绕制成形后会发生涨包现象,因此从设计上应对高低压线圈的尺寸确定合理的偏差,必须确保相同装配间隙和有效绝缘尺寸,厂家一般的作法是用成形机来压装线圈的长轴面以保证相间距离,而把涨出的尺寸赶到非相间方向上去,这样非相间方向上的幅向尺寸就大了,但究竟放大多少,各厂家是不同的,这就需根据自身情况经实践来确定。
矩形线圈绕完后有涨力存在,装配及装配完工后可能在线圈层间出现离层而影响装配质量,为避免这种线匝离层后串匝及位置变化的发生,线圈的层间一律使用双面点胶纸,经专用压装模具加压、加热压装后形成一个整体,并在器身装配前放开后,便进行套装工序,保证相间尺寸不发生变形。
3.3 绝缘结构
非晶合金的主要问题集中在绝缘结构中,怎样即经济又合理地节约原材料,绝缘是十分重要的课题。
非晶合金铁心变压器的高低压线圈是矩形线圈,线圈在加工完成后加热整形过程中,点胶纸能够有效地保证线圈整形尺寸不发生回弹,所以非晶合金铁心变压器线圈层间绝缘采用0.08双面点胶纸较普遍。
线圈的一、二次之间的主空油道及高压层间油道或低压层间油道,一般采用绝缘纸板条(木条)粘在点胶纸上的形式,并按设计要求确定其大小尺寸,这样做既可提高线圈机械强度又可增加线圈的散热面积。
线圈端绝缘一般采用0.5或1.0纸板条制作,在线圈绕制过程中用胶带粘在线圈导线上,用以降低线圈的幅向裕度。其它方面形式基本同于普通S9或S11型绕组结构的绝缘形式。
4 、生产非晶合金铁心变压器的技术难点及相应工艺保证措施
(1)非晶合金铁心片对压力、撞击及弯折等有非常的敏感性。在受到压力、撞击及弯折后其空载损耗会增加,同时很容易出现断裂、掉渣等现象,从而可能引发变压器绝缘出现故障。因此,要求在操作及搬运过程中做到轻拿、轻放,避免出现撞击、受压现象。特别是对铁轭开口的交错接缝处,进行挑直及在线圈套装后弯折回复原状过程中必须精心操作。同时在整个操作过程中,要做到用干净布料或绝缘纸遮盖在线圈及绝缘的上端,以防止铁心片产生的粉未掉入线匝内。为防止下轭交错缝处非晶合金片在以后的装配过程中掉落碎片,在装配下夹件及夹件绝缘之前,须先用吸尘器吸净金属碎片及灰尘,再对接缝部位的两侧面涂刷绝缘漆进行封闭化处理。
(2)非晶合金铁心形式虽然可视为卷铁心,但为了方便地套装线圈,铁心厂家将其下轭部分设计成对缝多层交错叠装形式。为何将接缝部位非要布置在下铁轭部位,而不能布置在上铁轭部位呢?
前面已提到,非晶合金铁心的下轭是可拆起的,也就是非晶片是活片,极易受到损伤,装配后不能承受压力。在变压器器身装配完毕后,整体器身需要翻转180°,不能发生碰撞和扭曲现象。非晶合金铁心在变压器装配后以至于以后的变压器运行中一直要处于悬挂状态,为避免非晶合金铁心受到较大的应力而出现损耗增大现象或掉落金属粉末的缺陷而进行的设计,因此把这部分布置到下面去。一般较小规格产品可以直接用吊车翻转。产品规格较大些时使用吊车翻转就很不方便,必须使用专用翻转台翻转才能保证质量。
(3)因为非晶合金铁心所特有的压敏性,对夹件结构提出来了特殊的要求,即要求夹件对铁心除应起到夹持作用外,还要有防护作用。因此其夹件结构较特殊,与S9或S11变压器夹件全然不同。在设计中主要应做到在铁轭两侧及顶部或下部,以及在边柱两侧面均应设有绝缘板进行绝缘,外面要有钢板夹件结构件进行保护。在产品的设计上要体现出相应的措施。
5 、结束语
根据中国电力发展相关数据统计,2004年度,我国配电变压器产量为2.4亿KVA,如果30%使用非晶合金铁心变压器,可节约电能11.4亿KWH,减少燃煤发电有害气体排放11000吨,同时在节约能源、降低线损方面效果明显。
通过上表我们可以看出,三相油浸式非晶合金铁心配电变压器与S11型三相油浸式配电变压器相比,非晶合金铁心变压器的空载损耗节约60%以上。空载电流下降约80%,是目前节能效果较理想的配电变压器,特别适用于农村电网和欠发达地区等负载率较低的地方。但其有效材料消耗较大,制造耗费工时较多,因而成本较高。按目前材料价格计算,前者的价格约为后者的1.3倍。这一价格与前些年相比,供需双方还是可以接受的,这就有利于大范围推广应用。另外,采购变压器不能只看价格,应对总费用(TOC)进行评估,看其在寿命期内的总成本是否最低。这也是国际上通用的方法。2005年6月,国家电网公司农电工作部在组织讨论非晶合金变压器标准时,已将此方法作为该标准的附录。
通过对非晶合金铁心变压器的运行成本、有效材料成本及投资回收期等方面进行分析我们可以得出如下的结论:
(1)SH15型非晶合金铁心变压器与S11型变压器相比,其年运行成本平均降低23%。
(2)SH15型非晶合金铁心变压器仅通过其节约电费,可以用4年多时间就能收回投资差值。
(3)SH15型非晶合金铁心变压器在设计结构上,加工工艺上均采取了先进的技术措施,具有较高的可靠性,完全可以满足电力用户的需求。

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