非晶合金變壓器節(jié)能分析
摘要:文章介紹了非晶態(tài)磁性材料以及非晶合金鐵芯變壓器SH12,對(duì)SH12、S9、S7的能耗做了計(jì)算與對(duì)比,并計(jì)算了800kVA的SH12較同容量的S7、S9多投資的回收年限。
關(guān)鍵詞:2605S2 SH12 節(jié)能 多投資回收年限
電力變壓器自1881年發(fā)明至今已經(jīng)有一百多年。目前大多數(shù)情況下,電能的電壓等級(jí)自發(fā)電站到用戶(hù)至少要經(jīng)過(guò)5級(jí)變壓器,方可輸送到低壓用電設(shè)備(380V/220V)。雖然變壓器本身效率很高,但因其數(shù)量多、容量大,總損耗仍是很大的。據(jù)估計(jì),我國(guó)變壓器的總損耗占系統(tǒng)發(fā)電量的10%左右,如損耗每降低1%,每年可節(jié)約上百億度電,因此降低變壓器損耗是勢(shì)在必行的節(jié)能措施。
1 鐵芯損耗的控制
變壓器損耗中的空載損耗,即鐵損,主要發(fā)生在變壓器鐵芯疊片內(nèi),主要是因交變的磁力線通過(guò)鐵芯產(chǎn)生磁滯及渦流而帶來(lái)的損耗。
最早用于變壓器鐵芯的材料是易于磁化和退磁的軟熟鐵,變壓器鐵芯是由鐵線制成,而不是由整塊鐵構(gòu)成,為了克服磁回路中由周期性磁化所產(chǎn)生的磁阻損失和鐵芯由于受交變磁通切割而產(chǎn)生的渦流。用線束制作的鐵芯可有效減少渦流路徑的截面積。
在1900年左右,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在鐵中加入少量的硅或鋁可大大降低磁路損耗,增大導(dǎo)磁率,且使電阻率增大,渦流損耗降低。經(jīng)多次改進(jìn),方用0.35mm厚的硅鋼片來(lái)代替鐵線制作變壓器鐵芯。
近年來(lái)世界各國(guó)都在積極研究生產(chǎn)節(jié)能材料,變壓器的鐵芯材料已發(fā)展到現(xiàn)在最新的節(jié)能材料——非晶態(tài)磁性材料2605S2,非晶合金鐵芯變壓器便應(yīng)運(yùn)而生。使用2605S2制作的變壓器,其鐵損僅為硅鋼變壓器的1/5,鐵損大幅度降低。
2 METGLAS2605S2
非晶態(tài)合金早在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域已有了飛躍發(fā)展。在80年代迅速應(yīng)用于磁性材料領(lǐng)域,美國(guó)阿拉伊特公司長(zhǎng)期從事非晶態(tài)材料的研究,以METGLAS為品名。1979年已研制出具有實(shí)用價(jià)值的2605SC,其材料成份為Fe81B13.5Si3.5C2。該公司在1981年又試制成功非晶態(tài)磁性2605S2,化學(xué)成份為:Fe78B13Si9,與最初的2605SC相比,降低了磁通密度,改善了熱穩(wěn)定性,降低了鐵損。
非晶態(tài)合金是無(wú)晶料原子結(jié)構(gòu),一個(gè)個(gè)原子無(wú)規(guī)則的分布在材料的基體中,并能迅速冷卻而出現(xiàn)玻璃狀成份。典型的非晶態(tài)合金含80%的鐵,而其它成份是硼和硅。非晶態(tài)合金有很多生產(chǎn)方法,但最常見(jiàn)的是把熔化的金屬蒸汽噴在高速旋轉(zhuǎn)的銅繞線架上,熔化的金屬以106℃/s的速率冷卻并固化成薄肋狀;因淬火形成的高內(nèi)應(yīng)力必須用200℃~280℃之間的退火來(lái)減小,以便成為好的磁特性材料。
變壓器鐵芯噪音,其中很重要的原因與鐵芯材料的磁致伸縮有關(guān),非晶態(tài)鐵芯與硅鋼鐵芯有著顯著不同。
3 非晶合金鐵芯變壓器
美國(guó)麻省理工學(xué)院于1979年采用2605SC制作了15kVA的干式變壓器。日本于1981年7月采用2605S2試制了10kVA的變壓器,再于1982年8月試制了30kVA的高壓油浸變壓器,1983年2月又試制了35kVA三相五柱式模型變壓器作研究對(duì)象。我國(guó)在80年代初期進(jìn)行對(duì)非晶態(tài)合金變壓器的研究,并于1986年由上海變壓器廠研制了30kVA的非晶態(tài)鐵芯變壓器。90年代非晶鐵芯變壓器的研發(fā)已進(jìn)入實(shí)用階段,國(guó)內(nèi)數(shù)廠家相繼引進(jìn)國(guó)外技術(shù),生產(chǎn)出較大容量的非晶鐵芯變壓器。
3.1 非晶合金鐵芯變壓器的構(gòu)成
(1)變壓器鐵芯均為三相五柱式兩行矩形排列,在兩個(gè)旁柱中流過(guò)零序磁通,磁通不經(jīng)過(guò)箱體,不產(chǎn)生發(fā)熱的結(jié)構(gòu)損耗,使變壓器能滿(mǎn)足低噪聲、低損耗;
(2)高低壓線圈均為矩形的銅繞組,當(dāng)線圈偶然發(fā)生短路時(shí),能適應(yīng)較大的機(jī)械應(yīng)力破壞,線圈不產(chǎn)生變形;
(3)箱體采用冷軋鋼板制成的片狀散熱器,高低壓套管的上方加裝防冰雹、防塵、防雨罩,其引線無(wú)導(dǎo)體裸露,可用電纜接線,全絕緣保護(hù);
(4)變壓器熱循環(huán)油填充硅油,箱體全密封,20年內(nèi)免維護(hù),且可適應(yīng)高溫場(chǎng)所。
3.2 非晶合金鐵芯變壓器的規(guī)格
(1)容量:30kVA~1600kVA,電壓6kV~10kV/0.4kV/0.22kV,聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Y•yn0,D•yn11;
(2)空載損耗、負(fù)載損耗、阻抗電壓、主絕緣均符合GB/T6451-1995的技術(shù)要求。
4 非晶合金鐵芯變壓器的節(jié)能效果
非晶合金鐵芯變壓器,具有低噪音、低損耗等特點(diǎn),其空載損耗僅為常規(guī)產(chǎn)品的1/5,且全密封免維護(hù),運(yùn)行費(fèi)用極低。
S7系列變壓器是1980年后推出的變壓器,其效率較SJ、SJL、SL、SL1系列的變壓器高,其負(fù)載損耗也較高。80年代中期又設(shè)計(jì)生產(chǎn)出S9系列變壓器,其價(jià)格較S7系列平均高出20%,空載損耗較S7系列平均降低8%,負(fù)載損耗平均降低24%,并且國(guó)家已明令在1998年底前淘汰S7、SL7系列,推廣應(yīng)用S9系列。非晶合金鐵芯變壓器SH12系列的空載損耗較S9系列降低75%左右,但其價(jià)格僅比S9系列平均高出30%,其負(fù)載損耗與S9系列變壓器相等。下面僅對(duì)其節(jié)能效果與投資效益做一計(jì)算實(shí)例。
4.1 計(jì)算公式
(1)有功損耗:ΔP=P0+KTβ2PK(1)
(2)無(wú)功損耗:ΔQ=Q0+KTβ2QK(2)
(3)綜合功率損耗:ΔPZ=ΔP+KQΔQ(3)
Q0≈I0%SN,QK≈UK%SN
式中:Q0——空載無(wú)功損耗(kvar)
P0——空載損耗(kW)
PK——額定負(fù)載損耗(kW)
SN——變壓器額定容量(kVA)
I0%——變壓器空載電流百分比。
UK%——短路電壓百分比
β——平均負(fù)載系數(shù)
KT——負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)
QK——額定負(fù)載漏磁功率(kvar)
KQ——無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量(kW/kvar)
4.2 計(jì)算條件
(1)取KT=1.05;
(2)變壓器容量SN=800kVA聯(lián)結(jié)組別為Y•yno;
(3)對(duì)城市電網(wǎng)和工業(yè)企業(yè)電網(wǎng)的6kV~10kV降壓變壓器取系統(tǒng)最小負(fù)荷時(shí),其無(wú)功當(dāng)量KQ=0.1kW/kvar;
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