非晶合金在配电及电子变压器中的应用

非晶合金在配电及电子变压器中的应用1引言自从1978年美国开始研制非晶合金配电变压器以来,已经26年了。1982年第一台非晶合金配电变压器在美国电网上正式运行，1985年美国开始批量生产。到现在，非晶合金配电变压器的生产和应用已遍及世界各地。作为一种节能型配电变压器，在新世纪已得到国际上广泛的认可，生产和应用正处于蓬勃发展时期。从1980年起，非晶合金在电子变压器中开始应用。作为漏电开关用的零序电流互感器、逆变焊机中的逆变变压器、电流互感器、高频开关电源用开关变压器和电感器、抗电磁干扰滤波器等的磁心材料，已得到广泛的应用。1986年我国试制成功第一台非晶合金配电变压器。由于种种原因，经过十七年，在我国非晶合金配电变压器仍然没有得到广泛的应用。非晶合金在电子变压器中的应用也存在一些问题。因此，本文在介绍美国、欧洲、日本、印度、东南亚的非晶合金在配电变压器和电子变压器中应用的发展现状和前景的基础上，对我国非晶合金在配电和电子变压器中的应用，提出一些建议，供读者参考。2非晶合金在国外配电变压器中的应用2.1美国非晶合金在配电变压器中的应用美国的6-10KV级配电变压器有4000多万台。居民住宅多半使用单相配电变压器，容量为10-167kVA，其中最常用的为15kVA和25kVA。商业和工业多半使用三相配电变压器，容量为75-1600kVA，个别的达到2500kVA和5000kVA。现在美国有9家以上的企业采用非晶合金生产非晶合金配电变压器，其中至少有3家生产能力超过15万台。CE公司年生产能力超过30万台，2000万kVA。空载损耗比同容量硅钢配电变压器下降60%以上。例如，2500kVA三相非晶合金配电变压器的空载损耗为845W，而2500kVA三相硅钢配电变压器的空载损耗为2400W。因此，非晶合金配电变压器有显著的节能效果。美国政府采取一系列措施，包括“能源之星”计划在内，推广非晶合金配电变压器。同时，电力公司在采购配电变压器时，充分考虑到非晶合金配电变压器的节能所取得的经济效益。因此，投标时，往往是非晶合金配电变压器中标。据不完全统计，到2000年非晶合金配电变压器已占配电变压器总数的20%左右，超过800万台。美国配电变压器每年更换和补充100多万台。而且据有关资料介绍，1996年至2004年，美国变压器销售量增加7.7%。非晶合金配电变压器在美国的生产和应用有美好的前景。现在，无论在非晶合金配电变压器的生产和应用上，都处在世界上的前列。2.2欧洲非晶合金在配电变压器中的应用欧洲（主要指欧盟中的西欧国家）的6-10KV级配电变压器总台数基本上和美国相当，也有4000多万台。近年来，出于环境保护和节能的目的，大力推广采用非晶合金的非晶合金配电变压器，约占总台数的5%左右。生产厂家有：瑞士ABB公司，生产单相非晶合金配电变压器10-300kVA，10种规格；三相非晶合金配电变压器50-100kVA，9种规格；英国CET-阿尔斯通公司生产三相非晶合金配电变压器25-630kVA，10种规格；西班牙Bilbao-ABBTrofodldSA公司生产三相非晶合金配电变压器100-630kVA，8种规格。空载损耗比同容量硅钢配电变压器下降60%以上。欧盟中的英国、法国、德国、荷兰、比利时及瑞典和瑞士都有大量应用，值得注意的是东欧国家（例如波兰、匈牙利等）近年来也有生产和应用非晶合金配电变压器的报导。2.3日本非晶合金在配电变压器的应用日本由于资料有限，非常重视节能型配电变压器的生产和应用。1999年日本重新修改了配电变压器的损耗标准，把以前的节能型配电变压器改为普通型配电变压器，而把采用磁畴细化型硅钢和非晶合金的，损耗更低的定为新的节能型配电变压器。预计到2010年为止，要投入新的节能型配电变压器1000万台，其中非晶合金配电变压器要占1/3左右。因此，非晶合金配电变压器的开发和生产，一直受到特别重视。1999年日本节能大奖和2001年的日本机械工业会长奖都授给了新开发的非晶合金配电变压器。日本生产非晶合金配电变压器的有大阪变压器厂、日立公司、东芝公司、高岳制作所、爱知电机公司等，年生产能力超超过10万台。NAMCO公司以前主要生产非晶合金铁心，最近也开始生产非晶合金配电变压器。2001年试制的500kVA三相非晶合金配电变压器，原边22KV，副边3.3KV，空载损耗980W，负载损耗28000W，空载电流0.04%，阻抗电压5.9%，总重量20.5t，油量4700升，噪声≤58db，是目前世界上容量最大的一台非晶合金配电变压器。2.4印度非晶合金在配电变压器中的应用从1992年起，印度新德里非晶合金有限公司就开始批量生产三相非晶合金配电变压器，容量为25-100kVA，主要用于农村电网。印度农村电气化公司在政府资助下，每年向农村电网投入上万台非晶合金配电变压器。据报导，到2000年，印度已有6家非晶合金配电变压器制造厂，年生产能力超过15万台。生产的非晶合金配电变压器容量也扩大到500kVA以上。印度农村电网中非晶合金配电变压器的拥有量已占配电变压器总量的20％。2.5东南亚非晶合金配电变压器的应用东南亚的马来西亚、印尼、菲律宾、泰国等国和南亚的孟加拉、尼泊尔等国都积极推广应用非晶合金配电变压器。有的已向电网投入3万至5万台非晶合金配电变压器，有的每年都要采购上千台非晶合金配电变压器，成为非晶合金配电变压器的一个重要应用市场。例如：孟加拉国2003年10月至2004年4月招标的农村用单相非晶合金配电变压器共计10960台，其中5kVA为6500台，10kVA为3900台，小容量占绝大多数。3我国非晶合金在配电变压器中的应用1986年我国试制成功第一台非晶合金配电变压器．直到1998年前后，内地才形成批量生产能力。据不完全统计，我国内地拥有非晶合金配电变压器生产许可证的制造厂已超过40家。但是到目前为止，年产量上千台的制造厂，只有不到4家。投入电网运行的，还不到2万台。即使与我国台湾相比，也存在很大差距。更不用说与美国、欧洲、日本、印度相比了。据报导，我国台湾省年生产能力超过1万台的非晶合金配电变压器制造厂已有4家。到2000年投入电网运行的非晶合金配电变压器已超过10万台。我国内地非晶合金在配电变压器中应用迟迟推广不开的原因是多方面的。从技术方面看，1996年前后进行的联合设计和试制，形成了从30kVA到1600kVA的三相非晶合金配电变压器系列。现在我国内地40多家非晶合金配电变压器厂绝大多数采用这种技术。由于建立在国外非晶合金带材和铁心基础上，这种技术存在先天不足之处。首先，必须采用国外非晶合金带材和铁心，铁心的供应量和价格受制于人，供应量不足，使非晶合金配电变压器生产总量受限制。铁心价格高于国际市场价格，从而造成非晶合金变压器出厂价格居高不下。其次，这种技术基本上是从国外技术嫁接来的，没有考虑本国国情对经济技术指标进行相应的调整。例如作为技术指标之一的阻抗电压，完全照抄硅钢配电变压器的数据，而不考虑非晶合金配电变压器又矮又胖(受铁心限制)的特点进行修正，加大了制造成本。因此生产的非晶合金配电变压器不能为我国内地市场完全接受而形成批量生产能力。针对技术上存在的问题，广州市思翔电磁技术有限公司结合国内实际情况，开发出既能用国外非晶合金铁心，又能用国内非晶合金铁心，经济技术指标适用于国内市场的新型单相和三相非晶合金配电变压器，铁心供应量和价格上不再受单方面限制。国内非晶合金带材经过多年努力，生产能力已超过上千吨，铁心生产能力正在逐步扩大，不久可以超过1000吨。因此，经过努力，近两三年内可形成使用上千吨非晶合金铁心的非晶合金配电变压器生产能力。为了加快我国非晶合金在配电变压器中的应用，下面提出几点建议：(1)我国内地，随着城乡人民生活水平的提高，家用电器使用日益增多，2002年夏季形成用电量达到历史最高水平的城市不下十几个，2003年同样出现这种情况。解决这种用电需求逐步增加的办法，一个是新建电厂，增加供电量；一个是采用节能措施，减少损耗。采用损耗比较低的非晶合金配电变压器是一个有效措施。建议国家尽快制订“配电变压器能效及技术经济评价导则”，有利于供电的电力公司和用户根据损耗最低的要求，积极选用节能型的非晶合金配电变压器。(2)建议国家像美国和印度那样。采取适当措施，例如对国产非晶合金铁心进行补贴或者降低增值税等等，既推广应用了国产非晶合金材料，又降低采用国产非晶合金铁心的非晶合金配电变压器的制造成本，早日形成完全国产化的非晶合金配电变压器批量生产能力和应用市场。(3)随着西部大开发的建设力度加大，西部将出现一批批新建厂和住宅区，建议国家采取措施，鼓励这些用户采购非晶合金配电变压器，从而使西部新建的配电网一步到位为线损和变损都较低的节能型配电网，不必以后再进行改造。(4)国外城乡电网大量使用5、10、15、25kVA单相非晶合金配电变压器。小容量单相非晶合金配电变压器的价格低，例如5kVA单相非晶合金配电变压器的价格每台为2500～3000元人民币(约300～350美元)，容易为用户所接受。据估计国外小容量单相非晶合金配电变压器约占非晶合金配电变压器总台数的80％以上，我国在10kVA配电网中应大力推广单相三线制代替三相四线制，促进单相非晶合金配电变压器的应用，从面降低配电网的线损和变损。4非晶合金在国内外电子变压器中的应用国外把非晶合金应用在电子变压器中比用在配电变压器中要晚一些。国内、日本、欧洲和美国都有一些公司开展这方面的工作，主要应用的电子变压器有电流互感器、逆变焊机的逆变变压器、高频开关电源中的开关变压器和电感器、抗电磁干扰滤波器和家用电器中的一些变压器和电感器等。国内除以上几种电子变压器外，还大量将非晶合金用于漏电开关用的零序电流互感器。4.1电流互感器20世纪90年代初美国和意大利相继用铁基非晶合金制成电流互感器，精度达到0.2级。估计已投入批量生产。我国也把非晶合金磁心用于电流互感器，但不是铁基非晶合金，而是铁基纳米晶合金，现在用于电流互感器的铁基纳米晶合金磁心的产值相当可观，可能居于非晶合金类产品的第一、二位。国内也有人试用过铁基非晶合金用于电流互感器，到目前为止，结果并不满意。如果用铁基非晶合金代替铁基纳米晶合金制造电流互感器，磁心成本可降低三分之一以上。4.2零序电流互感器漏电开关用零序电流互感器用非晶合金磁心，在我国正在大量生产。虽然产量大，由于价格竞争，总产值并不高。还存在一致性和稳定性差等缺点。因此高档漏电开关用零序电流互感器不用非晶合金磁心，仍用高磁导坡莫合金磁心。如何从配料和工艺流程上控制零序电流互感器用的非晶磁心的一致性和稳定性是需要解决的问题，现在，已有一些低Ni高磁导坡莫合金开发出来，使这个问题更显得十分迫切。4.3逆变焊机中的逆变变压器美国、欧洲已经把非晶合金大量用于逆变焊机中的逆变变压器，从而使焊机的体积和重量大大降低，成为便携式逆变焊机。方便在造船工业和建筑业中使用，同时效率有明显提高，国内也有公司大量生产，而且开发出甲壳虫式线圈结构，有所创新。如果能进一步降低非晶合金损耗，可以比较容易解决散热问题，降低成本，更有利于推广。4.4大功率高频电源变压器和电感器10kW以上的大功率高频电源，工作频率一般为20-40kHz，非晶合金磁心有可能和软磁铁氧体磁心竞争。国外已有用非晶合金磁心制成的高频开关电镀电源，效率比晶闸管电镀电源高，有明显的节能经济效益，国内开发的电力操作和蓄电池充电电源也可以考虑采用非晶合金磁心制作变压器和电感器。由于各个批量之间一致性不好，价格较高。现在与软磁铁氧体的竞争中，性能价格比并不占优势，需要进一步降低价格和提高性能。4.5大功率UPS中的变压器和电感器50kVA以上大功率UPS中的变压器、直流滤波电感器和功率因数校正电感器采用非晶合金磁心，比采用硅钢磁心可提高效率，比采用软磁铁氧体磁心可缩小体积，国外已有成功的例子，尤其是直流滤波电感器用磁心，采用恒磁导的非晶合金磁心或粉心，是比较好的方案之一。50kVA以上大功率UPS中的整流变压器采用非晶合代替硅