非晶合金变压器分析.doc

　　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 非晶合金变压器的特点

　　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。

　　1.2 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3~5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 非晶合金变压器节能效益分析

　　非晶合金变压器与S9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，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β＝20%时，非晶合金变压器投资的回收年限为3.1（年）；

　　在负载率β＝75%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1998年开始，政府又不惜代价地在全国推行两网改造，用S9系列配电变压器取代S7系列变压器。这先后两次全国大规模的更新换代，新产品仅比老产品降低空载损耗约8%～15％，可见国家在节约能源、环境保护方面的决心是很大的。非晶合金变压器其空载损耗仅为S9系列的20％，其节能效果已引起了国家有关部门的高度重视，不排除会强行推广的可能性。