新型铁芯材料及新型节能变压器_石松耀.pdf

新型铁芯材料及新型节能变压器石松耀一、前一止奋口现代节能型电力 变压器特别注重于减低变压器的空载损耗。快速凝 固技术的发展,大力促成了新型 低损耗变压器铁芯材料的开发。传统 变压器 硅钢工艺技术不断革新使其铁损持续下降;而熔体急冷非 晶态材料的出现,更将铁 损 降低到取向硅钢的三分之一新工艺新材料的飞速 发展与当前世 界 能源紧张形势,恰为新型节 能变压器的开发,提供了难 得的契机。二、铁芯材料的进步金 属 铁磁材料 演 变至今,出现 了两种物质结构状态截然不 同的材料,其一是熔体金属于 平衡态下缓 冷 结晶,原子高度 规 整地取向排列一晶粒取向硅钢;另一则系熔体骤冷凝 聚,原子呈最大 的混乱分布一非晶态合金。作为变压器工程材料,廉 价和低损耗,始终是 研 究 的焦,点。变压器 铁芯材料 生产技术 的改进周知,日本新日铁是传统 变压器材料(硅钢)的生产 基地:七 十年代后期崛起的非晶态新材料,则以美国Al li ed公司为主体。其生产技术的进展扼要列举如下:年份日本变压器 铁芯材料生产技术开 发(5iFe)19 5 3晶粒取向硅钢投产。1 96 7高导磁 晶粒取 向HI一B投产,Bm1.7T,P17/50lw/kg。2983激光处理的HI一B,ZDKH投产。295 4减薄厚度Z D K HO.3,o.23P13/500.4 4w/kg。1 98 5急冷e.5肠硅钢Pro/60o.46w/kg美国变压器 铁芯新材料生产 技术开发(AM)。1978单辊离心法炉各量扩 大到5 0公斤,带宽2 5som m,非晶带填充系数0.7 5。1 9 8 0纳内斯创平板流熔注技术,带宽突破到1oomm。19 8 2形成大生产体数:熔注炉1.2T,中间包3T,产量IT/时,生产 能力7 0 0 0T/年,带宽2 0 0(正常)27 0(最大),填充系数。.8 5,过程自动化,自动收卷,单卷重25 0公斤。198 5建立非晶迭片生产线,带厚突破,迭片尺寸。.1 3xl oom m,填充系数提高到。.9。198 6Ani ed公司 委托日本三井造船公司在美国本土上建造 世界首家变压器 用非晶薄带工厂,最大生产能力为6万吨。19 87美Ani ed公司准备开辟亚洲(中国或南朝鲜)非晶材料及变压器制造厂,年产。.71万吨。从以上变压器 铁芯材料发展历年大事记中可以看到,晶粒取向硅钢以廉价占优势,减薄、细化磁畴,以图降铁损;非晶以低铁损取胜,改善带质量,提高填充系数,增宽加厚,推进大型变压器应用,扩 大市场,以图降价,为其技术改进的主要特点。环绕高效节能变压器 铁芯材料,硅钢与非晶之间的竞争尚在继续,198 6年美国实 现 了25和 5 0KV A非晶配电变压器产品的商品化,证 实2 60 55-2材料铁损低,稳定可靠,进而开发非晶宽带,其计划按排如 下:29 5 6年带宽z oom m8 7年带宽17 5m m88年带宽Zo om m9 0年带宽2 5omm92年带宽4 5 omm94年带宽eo om m同时研究非晶厚带迭片技术,适应三相大容量电力变压器需要,86年投产的迭片非晶生产 线目前能大批供应o.zsxloomm产品。进一步发展,制成迭片切割机,以供应不 同长度迭板:更宽更厚的迭板技术,综合的电磁机械性能亦在研究之中。198 6 年以来日本硅钢又有新的进 展,新日铁研制成极低铁损的晶粒取向硅钢,。.1 5mm薄带,人工细化畴,梯度场退火,铁损显著减低,其磁感Bm与铁损P。之间关系如下:Bm(T)1.51.71.51.3Pe(w/kg)0.70.5 70.4 10.319 87年5月东京国际应 用磁学会议上,电气通讯研究所和东北大学联合 研制成功极低铁损急冷4.5肠硅钢薄带,B。二1.8 6T,其铁损相当于非晶带.大形变急冷4.5%硅钢,晶粒取 向硅钢及非晶晶态合金的电磁性能如下:张应力.0kg/m mIIh半螟,a FeBS礼非晶金属。2.5B。(T).02.0图l急冷4.5%SIFe薄带(5 0件m)施加 张力(4kg/m m“)或不 加 张力时,不 同磁感下铁损26H(3肠SIPe)急冷4.5肠SIFeFes i非晶态合金3450.508620260.761_045.61.901500.360.562.21.86/0.52.41.5英国的变压器制造业 几家对新材料有兴趣的厂商最近组成一个公司,开发别具一格的新 型 电工钢材料。利用英国生产的高质量坯料,采用称作喷射成 形 的一种改良工艺,据称此法生产成本与传统硅钢相当,铁损介于 硅钢和非晶之间。获得的新材料克服 了非晶带薄B值低的弱点,并可制得 微细晶厚带,变压器制造设 备无须 改变,此项工作很有吸引力.英国贸易和工业发展部已作出计划,筹资65万英磅,于今后1 8个月内开展研究建立中试厂,它得到英国国家经济发.展 委员会的支持。当前用作变压器铁芯材料,主要是 改进型硅钢和非晶合金之竞争.预计硅钢须作极大的努力,方可使其铁拐降低 到。.2 5。.3w/kg(1.5T,5 0Hz),这 包括 提高硅含量(3.5肠),高晶粒取向,施加张力,化学抛光,激光处理,减薄厚度(。.1 5m m),后工序复杂,生产成本将大幅度上升,非晶带薄B值低,变压器制作工艺须 改变,结果成本亦高.据英国GE C公司估计,两 者竞争将持续到本世纪末。喷射急冷生产变压器发非晶金属迭板,已投产一条中试线,生产0.1 3X1 0Om m产品。实 验室 研究迭片铁芯性能随压力、接缝方式的变化如下 图所示:制造迭片式非晶变压器,必 须研究迭片铁芯的结构,铁损和装配系数,所谓装配系数是指变压器铁芯的铁损与材料铁损之 比.根据有限无法对45斜接缝和9 0直接缝 两类迭片铁芯磁场 分析,表明直接缝的装配系数(1.15)比料接缝的(1.0 5)高,但均小 于晶粒取向硅钢(1.21.3).另外,6 0Hzl.3T下铁损值,直接缝铁芯为o.2 7w/kg,斜 接 缝的为。.25w/kg,为Z6H硅钢的四分 之一E)小结非晶变压器开发情况年份美国人1 1 ied研制成功第一台1 5KV A(单坚担2 韭煲醚皇变里 兰_一_198 1G.E.研究25K VA非晶配电变压器w.H.研制1 0K v Alg sZG.E./E P RI合 同25KVAz oo台,设计制造批生产技术G.E.5 0K vA(单湘)A lliedlooK VA(单相)Al l ied/大阪联 合建立新型 非晶配电19 83变压器 自动化生产线WH/EPRI签 约60 0K VA(三相)迭片变压器设计制造技术198 4WH./EPR I研究迭片铁芯在电力变压一器中应用石0 0KV A(三相)迭片变压器并 网试 验19 85G.E.25、5 0KvA变压器在90个单位中并网G.E.2 5、5 0KvA非晶配电变压器商19 5。品化W.H.开发1.6一1 0万KV A大 型 电力变压器从 以上材料对比分析:(1)美国电力系统非晶变压器开发由EPRI根据全美电力发展规划有组织进行,目标明确,资金雄厚。A、Ani e d发展大型电力变压器所需宽带厚带;B、GE非晶变压器工业化生 产及商品应 用;C、WH三相大容量迭片式非晶变压器制造技术及应用。(2)美国电力系统非晶变压器的重大进展。A、8。年A l li ed首 先研制成功1 5KV A非晶配电变压器,损耗降低7 5%,显示巨大节能潜力.B、8 3年A l li ed一大阪合作建立最早的非晶变压器生产线;C、5 5年sooKV A(三相)迭片非晶变压器 并 网试验,为大型迭片变压器制造开拓新途径;D、56年G.E.完成25、soK VA非晶配电变压器商品化;(3)我国电力系统对非晶变压 器开发缺乏象E PR I那样的统一规划组 织,而制造非晶宽带技术 也未有突破,冶金部门无法提供配电变压器铁芯带材,所以8 6年美国非晶已商品化,大 型迭片非晶变压器正并网试验,我国只开始试制一台小型 变压器。(4)美国非晶变压器 开发已投资2 5 0 Q 万美元,非晶变压器制造技术日趋成熟,已生产上 千 台;我国非晶配电变压器“六 五”属空 白,“七五”方投资1 00万人 民 币(合2 5万美元),零星中小型变压器厂进行 试制,尚无统一规划和要求,也无资金。已经试制一台3K V A单相,另一台3oKVA三相非 晶铁芯是A ni ed无偿提供 的。近年非晶变压器 发展迅猛,制造技术时有突破,加之非晶材料低损耗的固有特性,8 6年日本三井造船公司承接了美国变压器非晶合金的大型专业生产工厂(年产6。万吨),三相迭片变压器开始挤入大型变压器市场等重大事件,暗示非晶变压器商品化在即.目前美国认 定目标一往直前,日本技术在握,而我国则尚在徘徊.3一2加鑫大加拿大魁 北克水力公司(IREQ)认为非晶变压器低铁损的经济效益,须通过变压器合理设计方可体现出来.采用 2 6 0 55一2,M4优质硅钢,M6普质硅钢作 为10 0KVA变压器铁芯材料,铁芯结构分四种,二丫产线圈环形绕制A塑只到一铁芯即:谷式绕制B柱式绕制C卷绕式D铁芯材料给 定 磁感下的铁 损(w/kg)-一nO一n1一一Q山一对一一 户口匕一.打么OU一八O一石别00一一00六O一,翻一一O口CJ一一0,qUZ一4一29工J二-on一noqOJ一171一on工一4R19臼一1召工-n n27工司J.,.只1J.JCL jn1一R.一1.4n甘n一产O。曰之一村2 6M空载损耗评价为1和9零/W时C D两种结构变压器 比较项目铁芯重(k幼铁芯损 耗 W,铜重(kg)IR EQ(AM)-举1冬91 1221 22649288 7I R EQ(SIFe)园柱式(AM)园柱式(S IFe)多工二二蛋 百一二巨二二歹互二8716912 0239孚9铜损总价值(w)($)3 0195138 191 1 381 7624258729 61972 131 1 11 1 009 513。年运行期总相对 价46841 17 9 1一35 9 513 3 9 05918145 361602 3不 同材料不 同结构变压器 试 验结果示于图5中。由以上结果分析,可 以得 出:(1)用非晶材料作变压器铁芯,比硅钢铁芯价格高2。4 0%,依设计水平而定。(2)非晶变压器价格低于硅钢变压器 的条件,取决于损耗评价,采用IREQ 设计D型结构,为5孚/w,C型结构为8么/w。3)IR EQ 设计的变压器结构,材料总享用成本最低.(4)硅钢变压器总享用成本(寿命期3 0年)比非晶变压器高91 9倍。IR EQ的1。KvA配电变压器特性如下:额定功率lo oK VA初级电压8.6K V非晶铁芯重量Zogkgl.3T,2 2时铁损44W50日寸一铜损go ow铁芯结构如 图6 6钢,兼两者优点,即新材料片厚,微细晶,B值高,铁损低,工序省,变压器制作工艺不变。三、非晶变压器的开发与进展3一1,美国非晶变压 器的开发八 十年代以来,美国非晶材料及变压器的开发,密紧环绕着工业化商品生产,以中央电力研究协会(EPRI)为首,会 同爱理德(Alliede orp)、通用 电气(G、E、Co)和西屋 电气(W.H.Co)三大产业公 司、大力开展非晶材料制造工艺及变压器制造及应 用等方面的研究开发.预计低损耗非晶合 金铁芯变压器,将在198 6至1 9 88年间投放市场,实现商品生产。A)FPRI输变电部门科研 项目(85”),主 要开 发改进交流变电站的设备,降低造价,降低损耗,提高可靠性,无环境污染。研究内容包括变压器用非晶合 金,非晶金属电力变压器等,总计投资142。万美元。并分别与Alli ed,G.E和W.H公司订立科研合作开发合同,Al li ed承担发展非晶宽带制造工艺,适应大型 电力系统变压器要求。WH公.司评价Ani e d生产的非晶带材,发展非晶电力变压器铁芯制造工艺,并对变压器 设计成本经济效益作出评价,G.E公 司则着重探索非晶配电变压器的生产制造技术,EPR I通过对这些项目的管理,促进W.H,G.E与Anied公 司有关人员之间的紧密合作与科研协调。B)G.E.公 司为非晶金属变压器 开发研究的先导,早在6 0一8 0年代,G.E.和工业部门共同开发研究,8 3年制造25台2 5K VA非晶配电变压器,85年制造1 00 0台,8 6年实现 了商品化生产。G.E制造的两种配电变压器比同型硅钢变压器性能优良,铁损为硅钢的三分之一,铜损相同,体积重量相当,铁芯一端切口为C型,线 圈拆装方便,有推广价值。项目25KVA5 0KV A非晶185iFe非晶芯损W铜损W励磁电流肠阻抗%噪音4B电话干扰因子(1。/11 0肠)IT/KvA短路 电流冲击空载电流0.0 1秒/0.1秒尺寸/重量3 3 03 3 03 04550。152。40.362。40.132.6332/104 022/13405/2 54023/24当412/223 529/245iFe1004550。233。2425/2 53l14/22当G.E.制造的非晶配电变压器,经A NSI标准严格试 验证 明具有高质量水平、可靠性高.86年GE公司生产 的2 5soK V A非晶配电变压器实现商品供应,8 6年三月佛罗里达州,捷克逊威 尔电力局 以招标方式购买 5 0KV A配电变压器,十四家公司参加投标,结果G E非晶 变压器中标,买 出8 0。台,标书报价如表示。可见GE非晶变压 器制造价格虽高、但运行总价却最低,受到用户欢迎.另外地亚哥煤气与 电力公司向G.E.公 司购买21 0台2 5K V A非晶配电变压器,也开始投入运行,空载损耗1 62 2w。67-公司空载损耗(kw)负载损耗(kw)卖价($)运行总价($)Ce ntralMolo n ey0.0960.39 3266234 45.9DowzerEle etrieo,10 20.57 213 91557 1.04ERMC OINC0.0870.50 913 60528 5.34HowardINdu strie s0.0 5 50.44 52 5 7 33372.77HugHe sSup plyINC0.0590.4 4526323467.5 0RA Y B RO一G.E.0.02 90.4618 51.5325 0.5 7RTECorpo ration0.0960.544164 953 26.75Wes stingho useo.o g0.41825325 50 7.05层涂未层涂芯芯铁铁C)WH公司研究开发部估计,美国每年生产一百万台配电变压器,总损耗为10 0GW,如空载损耗价值以4$/w计,则花在变压器损耗上每年投资额超过4亿美元,他们认为非晶铁芯变压器商品化的关键有三点,即非晶材料价值 和性能,用户注重损耗评价以及变压器新设计、新制造技术的开发。目前正研究改进非晶制造电力变压器铁芯的方法,着重研究迭片式非晶变压器。88年须将结果应用于商业电力变压器并 具有竞争能力。85年1 0月制成一台5 0oKV A三相迭片式非晶变压器,空载损耗25 0w,常用硅钢为1 00 0w,空载损耗降低 7 5%,现已按装在尼亚加拉莫霍克电力公司的电网系统中,现场运行。D)A l lied公司首创快速凝固物质方面省奋“解 接缝选片朽拼接缝选片拳.3.迭片衬料6 0ts!51,扩尹产二,”止二一,一娜 一!O卜30.9t。0磁感T.21.3巨 4图345倾接缝迭片铁芯在6oH:1 5psi压力 下铁损磁感关系成洲洛军军一-一 一励 磁功率10.3。心.2乞。.2 6罗曰 考军衅。广nR,月代冲份口.七牌馨日二。.:飞0Zo3oPSi0.。吕0.1 60.之 之N/mm之压 应力图2压应力对迭片材料磁性的影响补68供一一一-下分一一一一右产一一一一气祝磁感T图4迭片变压器(矩 形直接缝迭接)Pc一B关系之 研究,Me tgla s产品乃公司致力 于研究开发高科技特殊材料成功的典范。近来集中开铁翻硅非晶合金日本三菱o.SK VA高岳o.3K VA大阪变压器厂研制loKV A(A llied援助)三菱o.4K VA(三相)铁损分析大 阪3 oKVA(单相)东芝loK VA(单相)2 IKVA(三相)日立15K V A(单相)高岳Z oK V A(单相)非晶 材料的经济效益是肯定 的,但 它与损耗 评价和 合理设计有关,IR EQ设 计D型卷绕式结构,铜铁均低,总享用成本亦低。3一3日本 非昌变压 费日本使用配电变压器 约80 0万台,年替换率为4 0万台,而日本用于发电的燃料靠进口,价格贵,因此日本一直紧跟美国研制开发非晶变压器.目前大 阪变压器厂已建立一条非晶变压器自动生产残,三菱、日立、东芝等都相继研制了10 0KVA以下的非晶 变压器,19 83年东芝完成三相I口oK yA非晶变压器制造,空载损耗8 5w,现在试制50 0K VA三相卷铁芯非晶变压器,并计划研制数千K VA产品,估 计商业 运行要到19 8819 8 9年.因此日本NAMC O立意在19 87年23季度建厂,一年半建成,年产11.5万T,日日本本三三菱o.SK VA A A高高岳o.3K VA A A大大阪变压器厂研制1 0KV A A A(A llied援助)三三菱o.4K VA(三相)铁损分析析大大 阪3 oKVA(单相)东东芝loK VA(单相)2 IKVA A A(三相)日日立15K V A(单相)高高岳Z oK V A(单相)三三菱35KVA(三相)日日立2 0K VA(单相)东东芝zo oKVA(三相)!一广广广广广广广州州州州州州东芝5 0oKVA(三相)卷铁芯非非晶晶晶晶晶晶晶晶晶晶变压器器3一4英国GEC配 电变压器公司G E C公司已研制了两台1 6K VAl l K V2 4OV单相非晶变压器,并 网二年运转特性良好,目前已制成一台1 0OKvA三相迭片式非晶变压器,另一台亦在制造之中,该公 司总工程师BRi c ha rdso n认为欧洲都采用大容量三相变压器,对小 型单相非晶变压器无兴趣,而用迭片或组合材料铁芯才是发展 低能耗大型变压器唯一可成功的道路.四、市场与价格近代物质文 明的进步,对电能的需求大幅度增长,而世界性能源短缺日趋严重,促成人们对电器设备价值概念的 变化.七 O年代初,只生产一种效率的变压器,各制造厂商的变压器效率均无差异,只是在按总享用成本作购买 决择后,变压器的效率才显得突出起来。目前美国配电变压器订货,8。肠以上均采用经济评价方法。4一1扭耗评价总享用成本的计算较复杂,它涉及到各电力公司的燃料成本、系统特性和操作标准等,但近年来平 均损耗评价系数不断增长,表明对高效节能 变压器的需求量 继续增大的趋势。八4冬口空载损耗口负载损耗4一2市场能源紧缺给非晶节能 变压器的开发提供了 良好 的契机,未来能源供求趋势,在相当大程度上影响非晶变压器的商品化。总观到2 0 0 0年,能提供的能源于9 0年代中期不 再满足需求,相 差10 0GW。当然 非晶变压器商品化的关键是材料价格,E PRI认为希望将来非晶带的价格在。.9$/16,而A l li e d估计美国每年约有10 0万只配电变压器投入市场,只要非晶材料价格降到每磅1.25美元,在铁芯成本上优于硅钢,就 能供应市 场的33肠,如价格再降到每磅1美元,则将能占据657 0场的市场。他们估计到1”3199 4年,美国非晶变压器 用量 可达5万T/年,欧洲可达7万T/年。(图9)坦7 8日日日日8007S U7OU6 5口要求的能汪瘫兰鳖、提供的能源损耗评价系数逐年增长3 OUI1 9 日吞-图8城一翻匕一-儿 二 J 奋一LJ川幻年1 9”(一)一J-二一ZOnl.I L f l.e eL6.图巴|未来能源供求总趋势八祠嗽映冲翎软3 0 0.2 0 01 0 0非晶 变压器节能效益与空载损耗评价系数密切相关。图7为GE公司生产的2 5 和 5 0KVA非晶变压器相对于硅铜变压器 的节能效益。_ _ _毖毖一一彩尹钾国己电变压O八甘2 0巧n 甘n甘八0.匕O-Q通月,5 0KVA2 5K VA图9美国和欧洲的非晶市场目前我国非晶材料生产带宽不足som m,产质量尚无法满足起码的小 型 变压.器铁芯的要求,非晶变压器 开发,处于起步阶段,19 8 6年5月上海钢铁研究所与上 海变压器厂同A ni ed公司会谈,上变利 用美方非晶铁芯试制成功一台三相3 0K V A配 电变压器,同时宁波变压器厂与上海钢铁研究所合作试制八甘八甘nJ5U一劝.二,二12345 678910空载扭耗价值$/,)图7成一台单相3KV A变压器,这 是 国产第一台非子铁芯配电变压 器国家对此十分重视,已将非 晶材料及变压器列为“七五”重点科技攻关项目.我国在“七五”期间新建电站规模54 0 0万kw,投产装机容量3 4 0 0万kw,每发 电1kw,需电机硅钢为skg/kw,共需电机钢2 7.5万吨.每发 电1kw,需变压器硅钢为2kg/k w,共需变压器钢6.8万吨,再加原来电机、变压器更新维修,总需硅钢9。万吨以上,其中用于中小 型 电机的硅钢约4 5万吨,用于变压器的硅钢约1 0万吨。据水电部农电司意见、农 电配电变压器电网损失1 1肠,其中铁损 占7 0肠,85年全国1。0亿度,损失10。亿度,其中配电变压 器损失7。亿度,相当7亿元。采用非晶节能 变压器 能大量节约能耗,因此得到水电部支持,但认 为非晶材料可接受的价格,以节电回收期为准,回收期以5年计,则我国农电中小型配电变压器64型(热轧硅钢)占5 0肠,而且 近年热轧硅钢 产量却逐年 增加,从19 7 9年的3 0万吨 增加到85年的46万曦.平均每年增长9肠,可见我国非晶代硅悯,任重道远,潜力很大。非晶代S L一7型变压器,可接受的价格为7元/kg非晶代73型 变压器,可接受的价格为9元/kg非晶代6 4型 变压器,可接受的价 格为12.5元/kg当前在国家计委、经委、汗委和冶金部的支持下,上海积极从事“A l li ed非晶技术”引进。今年六月在非晶生产技术引进汇报会上,上海市刘振元副市长强调非晶高科技的开发,把材料生产、变压器制造 和供用电部门应 用三者组织起来,联合攻关。在这一总体思想指导下,与上海相关的国内市场已初步构成网络。希望今后在水电部、机械委员会、冶金部的统一领导下,策马相鞭,共同加速我国非晶材料及变压器商品化的进程,为祖 国,四化”建设作积极贡献。