非晶合金变压器分析

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1、 在变压器制造中，非晶合金材料将逐步取代传统的硅钢片铁芯变压器制造技术，成为新一代节能降耗产品。这对提高电网自身电能质量，降低损耗，最大限度利用能源转换，降耗节能，增加电力企业活力，将有不可估量的作用。 1 1 非晶合金非晶合金变压器变压器的特点的特点1.1 材料特点电力变压器传统的铁芯制造技术是以硅钢片为基本材料，在降低变压器自 身损耗上，无论任何国家及制造厂商，均是以选用优质硅钢片为先决条件来降 低变压器自身损耗，来提高电能的转换能力。随着原材料制造工业的技术发展，目前变压器制造行业，尤其是配网使用 的小型变压器，制造厂家开始采用非晶合金为铁芯制造材料的变压器。通常所 说的非晶合金，是指一

2、种采用特殊的超快速致冷工艺加工而成的金属材料，由 于材料生产工艺的限制，一般均为带材。非晶合金在其制造过程中采用了超急冷凝固的技术，使得在材料的微观结 构中，金属原子在从液体（钢水）固化成固体的过程中，原子来不及排列成常 规的晶体结构就被固化。这种原子结构无序排列的状态即称为非晶态，由此生 产而成的材料被成为非晶合金。非晶合金材料被发现具有非常优异的导磁性能，它的去磁与被磁化过程极 易完成，较硅钢材料铁芯损耗大大降低，达到高效节能效果。因而作为一种极 其优良的导磁材料被引入变压器等需要磁路的产品中。采用非晶合金制造成变 压器铁芯，并组装成的变压器，即称为非晶合金变压器或非晶合金铁芯变压器。1.

3、2 环保特点选用非晶合金为铁芯的变压器，其显著特点就是节能和环保。首先在环保 方面，经技术检测，当非晶合金铁芯用于油浸变压器时可有效减排 CO、SO、NO 等有害气体，对大气污染程度降低，所以可以称其为 21 世纪电力产品中的“绿 色产品”。其次，非晶合金变压器最显著的特点是空载损耗很低，节能效果明 显。由于非晶合金材料具有优越的导磁性，更易于以极少能耗磁化或消磁。因 此非晶合金变压器的空载损耗远远低于传统变压器。以 SEC 公司（美国超导能 源公司）生产的 500kVA 非晶合金变压器为例，非晶合金变压器和 S9 型变压器 的空载损耗分别为 190W 和 900W。非晶合金变压器的空载损耗仅

4、为 S9 型变压器 的 20%左右，节能效果非常显著。对于公路、城市基础设施及住宅小区等电力 负荷波动较大的领域，非晶合金变压器的节能效益更加明显。由于节能效果显 著，可节省大量的电厂投资，减少发电燃料的消耗，从而减少对大气环境的污 染。1.3 综合成本特点由于非晶合金变压器采用了新材料新技术，工艺复杂，因此其产品价格较 传统变压器高，一般比同型号传统变压器高 30%左右；但由于其节能效果显著， 运营成本较低，所以其综合使用成本较传统变压器低。以 500kVA 的非晶合金变 压器与常用的 S9 型变压器相比，非晶合金变压器每台每年可节约电能 6832.8kWh，一年节约电费 5207 元（现北

5、京城区商用电电价为 0.762 元/kWh）。 虽然非晶合金变压器比 S9 型变压器价格高 30%左右，但所增加的成本，可在该 变压器运行的 35 年内全部回收。1.4 结构性能特点非晶合金变压器采用全密封式结构，可延缓变压器油和绝缘纸的老化，不 仅结构紧凑，而且具有运行效率高、免维护的优点。非晶合金变压器由于损耗 低、发热少、温升低，故运行性能非常稳定。非晶合金变压器低压绕组为箔绕 式，损耗低、抗短路能力强、结构先进合理。变压器的联结组别采用 Dyn11， 可减少谐波对电网的影响，改善供电质量，提高供电可靠性。2 2 非晶合金非晶合金变压器变压器节能节能效益分析效益分析非晶合金变压器与 S9

6、 系列变压器相比，其主要损耗的降低取决于空载损耗 的大幅度降低。2.1 年节电费用比较通过直接比较两种变压器的年空载损耗成本，来计算年节电费用，可简单 直观地体现非晶合金变压器的节能效益。现以 400kVA、500kVA 和 800kV 的 10kV 变压器为例来进行两种能耗对比，见表 1。表 1 非晶合金变压器电费节约比较由表 1 可见，非晶合金变压器的电费节约效益显著，以 500kVA 为例，假设 非晶合金变压器的售价比 S9 贵 1.8 万元/台，每年节约的电费是 5207 元，简单 计算，购买非晶合金变压器多增的投资，静态回收期是 3.8 年，即多增的投资， 在产品运行 3.8 年后，

7、即可通过少支付电费的节约来回收。按产品使用期 20 年 计算，在剩余的 16.2 年中共可节约电费 76480 元，几乎可以新购一台变压器。 如果当地的电费超过 0.70 元/kWh，则节能效益更显著。北京市电力公司城区供电公司配网运行 592 座开闭站（配电室、箱变）， 运行变压器为 1131 台，总容量 906890kVA。在运行的变压器中，型号多为 S7/S8/S9 形式。运行负载率在 1%以下为 79 台；运行负载率在 1%50%为 1014 台；负载率在 50%以上为 38 台。变压器空载损耗是非常大的。如果采用非晶合 金变压器，降低设备空载损耗，对降低线损和提高公司经济效益，意义将

8、十分 重大。2.2 考虑无功分量和负载率时节约能耗估算当变压器运行时，不同的负载率有所不同，年运行能耗也不同，以 200kVA 和 500kVA 两个容量比较，非晶合金变压器与 S9 硅钢变压器的性能参数和年运 行能耗，见表 2。表 2 非晶合金变压器节能效果比较表注：假设无功当量系数取 0.1kW/kvar；年平均负载系数按 0.35，年运行时 间按 8760h 计算。从表 2 可知，一台 500kVA 的非晶合金变压器运行一年后，比 S9 硅钢变压 器节约能耗约 9.4MWh，按 0.7625 元/kWh 计算，每年可节约电费 7167.5 元。2.3 性价比测算总拥有费用法（简称 TOC

9、 法）是一种评价变压器能耗和价格合理性比较全 面的性价比评估方法，在国外的变压器采购评估中被广泛使用。它是根据综合 比较变压器价格和能耗水平的原则，按照总拥有费用最低来选择变压器。当非晶合金变压器的售价是 S9 变压器的 1.3 倍时，TOC 法测算的非晶变压 器性价比仍比 S9 高 10.3%。2.4 投资价差回收非晶合金变压器的空载损耗较 S9 降低 80%左右，假设其价格仅比 S9 系列 平均高出 30%，其负载损耗与 S9 变压器相等。当不考虑投资的货币时间价值， 采用静态投资回收期计算法进行计算，可得出在不同负载率情况下，多增投资 可在多长时间内回收。以 500kVA 为例，经计算其

10、节能效益与投资效益见表 3：表 3 按 500kVA 变压器为例的节能效益和投资效益2.5 投资价差回收年限计算投资价差回收年限，一般有静态和动态计算方法。静态投资回收期：不考虑投资的货币时间价值。动态投资回收期：考虑投资的货币时间价值，将现在投资及未来收益均以资金的折现 率折为现值。此法计算复杂，要涉及通货膨胀率、资金银行利率、折现率等，因此不确定 因素多。现采用静态投资回收期计算法。假设 500kVAS9 硅钢变压器的售价为 8 万元，对应非晶合金变压器的售价高 30%，则 两者的售价差价是 24000 元：在负载率 20%时，非晶合金变压器投资的回收年限为 3.1（年） ；在负载率 75

11、%时，非晶合金变压器投资的回收年限为 3.1（年） 。国家关于节约能源基本建设项目可行性研究的暂行规定中指出：计算投资回收年 限一般不应超过 5 年，最长不超过 7 年，按政策规定，非晶合金变压器比 S9 变压器多投 资的部分，均在政策规定的年限内收回，因此推广应用非晶合金变压器，符合国家节约能 源的政策导向。3 非晶合金变压器在电力市场的发展现状3.1 非晶合金变压器的发展过程非晶合金变压器是在 20 世纪 80 年代初由美国开始研发生产的，当时美国认识到非晶 合金变压器对电力线路节约能源损耗的巨大潜能，由美国电力委员会组织了 GE 公司、霍尼韦尔公司、美国超导能源公司、美国南方电力公司等八

12、大相关机构，联合对非晶合金变 压器产品的商业化运作设计、制造、运行等环节，进行技术研发和实际运行可靠性验证， 至 20 世纪 90 年代初，历时 10 年获得成功，于是非晶变压器开始了真正的规模化商业化经 营。至今，规模化生产已近 20 年，目前在全世界范围内被广泛推崇，其中美国、加拿大、 墨西哥、日本、印度、韩国等国家和台湾地区均有大量非晶合金变压器在挂网运行。特别 是在日本，政府鉴于节约能源对国家发展的重要性，该国从 2000 年开始逐步提高非晶合金 变压器的上网比例，到 2005 年时，日本已规定所有配变必须使用非晶合金变压器，在配电 领域彻底淘汰相对高耗能的硅钢变压器。中国从 1998

13、 年开始批量生产，应用至今约有几万台非晶合金变压器挂网运行，容量自 5kVA 至 1600kVA，产品形式包括箱式变电站和配变，最近几年，鉴于国家对节能减排的 重视，非晶合金变压器的使用量呈爆发式快速上升趋势。3.2 非晶合金变压器在国内市场的应用现状在国内，由于非晶合金变压器的售价相对硅钢变压器要高，使其总的使用量受到限制， 但近几年，有两个因素促使它的使用量快速提高。首先是由于铜价和硅钢的价格飞速上涨， 而非晶合金材料的价格基本维持不变，同时实现规模化生产后产品成本的降低，使得两者 的售价差距迅速缩小，非晶合金变压器稍高于常规变压器的价格已被市场接受；其次是国 家对节能环保问题的重视，使得

14、一些有能力和有预见的地区率先大规模采用。目前已大批 量采用的地区有上海、江苏、浙江等，另有许多地区正处于批量应用和运行评估阶段，如 东北、宁夏、山西、云南、广东、福建等。其中需要特别指出的是江苏省电力公司，他们 内部规划今后新上线路和改造线路，非晶合金变压器的使用量不得少于 30%，2008 年的非 晶合金变压器的招标数量达到为 2 万多台，已走在了全国前列。3.3 非晶合金变压器的生产状况目前国内市场中声称能生产非晶合金变压器的生产厂家多达几十家，但真正能实现规 模化批量生产的厂家其实并不多。其中大部分的生产厂家均为原先的硅钢变压器生产厂家， 其采购了非晶合金铁芯后，套用改进原来的硅钢变压器

15、生产技术进行生产，导致产品的质 量稳定性有欠缺，对非晶合金变压器的市场形象造成了不利影响。其实，非晶合金变压器的设计生产技术有它的特殊性，非晶合金材料和晶体化的硅钢 材料在某些材料特性上完全不同，因而两种产品的设计加工技术也有很大的不同。3.4 非晶合金变压器的市场趋向3.4.1 经济背景随着国民经济的高速增长，国内电力工业得到蓬勃发展，并可预见在未来的 20 年内电 力市场仍将保持高速发展的态势。非晶合金变压器作为一种高效节能的产品，在 20 世纪 90 年代已经逐步引入电力市场，随着它作为一种新产品被市场逐渐的认知，到 2000 年已经有一些厂家规模化生产，但由于非晶合金变压器的材料成本比

16、常规变压器的材料成本高 很多，约束了它的大规模推广。自 2004 年以来，常规硅钢片材料和铜材的价格暴涨，而非 晶合金的价格保持在原位，使得两者的价格差大幅度缩小，从而激发了非晶变压器的销售 量大幅上升。更为重要的是，除了成本原因外，国家在经济发展政策中提出了“能耗/GDP”的考核指标，这表示国家在产业政策中将大力推行节能产品的应用。非晶合金变压 器作为一种高效节能的产品，已引起了国家发改委和电力部门的高度重视。江苏省、上海 市和浙江省等经济发达地区，以及电力供应不足地区已进入大批量采用阶段。3.4.2 政策背景目前国家已着手解决电力结构性矛盾，改变过去“重发、轻供”的倾向，正重点发展 电网建设，加快城乡电网改造，坚决淘汰掉那些低效、高耗、性能落后、安全性差的设施， 努力发展节能型的电气设备。非晶合金变压器高效节能的显著优点，为电力市场提供了一 种良好的选择。由于政府十分重视节约能源和环境保护。20 世纪 80 年代中期，政府强制性地采用 S7 系列配电变压器，在全国范围内淘汰正在电网运行的 JB1300-73 和 JB500-64 标准的高能耗 变压器。从 19