非晶合金變壓器的應用前景

摘要：在變壓器制造中，非晶合金材料將逐步取代傳統的硅鋼片鐵芯變壓器制造技術，成為新一代節能降耗產品。這對提高電網自身電能質量，降低損耗，最大限度利用能源轉換，降耗節能，增加電力企業活力，將有不可估量的作用。

關鍵詞：非晶合金變壓器；配網；節能

　　1 非晶合金變壓器的特點

　　1.1 材料特點

　　電力變壓器傳統的鐵芯制造技術是以硅鋼片為基本材料，在降低變壓器自身損耗上，無論任何國家及制造廠商，均是以選用優質硅鋼片為先決條件來降低變壓器自身損耗，來提高電能的轉換能力。

　　隨著原材料制造工業的技術發展，目前變壓器制造行業，尤其是配網使用的小型變壓器，制造廠家開始采用非晶合金為鐵芯制造材料的變壓器。通常所說的非晶合金，是指一種采用特殊的超快速致冷工藝加工而成的金屬材料，由于材料生產工藝的限制，一般均為帶材。

　　非晶合金在其制造過程中采用了超急冷凝固的技術，使得在材料的微觀結構中，金屬原子在從液體（鋼水）固化成固體的過程中，原子來不及排列成常規的晶體結構就被固化。這種原子結構無序排列的狀態即稱為非晶態，由此生產而成的材料被成為非晶合金。

　　非晶合金材料被發現具有非常優異的導磁性能，它的去磁與被磁化過程極易完成，較硅鋼材料鐵芯損耗大大降低，達到高效節能效果。因而作為一種極其優良的導磁材料被引入變壓器等需要磁路的產品中。采用非晶合金制造成變壓器鐵芯，并組裝成的變壓器，即稱為非晶合金變壓器或非晶合金鐵芯變壓器。

　　1.2 環保特點

　　選用非晶合金為鐵芯的變壓器，其顯著特點就是節能和環保。首先在環保方面，經技術檢測，當非晶合金鐵芯用于油浸變壓器時可有效減排CO、SO、NO等有害氣體，對大氣污染程度降低，所以可以稱其為21世紀電力產品中的“綠色產品”。其次，非晶合金變壓器最顯著的特點是空載損耗很低，節能效果明顯。由于非晶合金材料具有優越的導磁性，更易于以極少能耗磁化或消磁。因此非晶合金變壓器的空載損耗遠遠低于傳統變壓器。以SEC公司（美國超導能源公司）生產的500kVA非晶合金變壓器為例，非晶合金變壓器和S9型變壓器的空載損耗分別為190W和900W。非晶合金變壓器的空載損耗僅為S9型變壓器的20%左右，節能效果非常顯著。對于公路、城市基礎設施及住宅小區等電力負荷波動較大的領域，非晶合金變壓器的節能效益更加明顯。由于節能效果顯著，可節省大量的電廠投資，減少發電燃料的消耗，從而減少對大氣環境的污染。

　　1.3 綜合成本特點

　　由于非晶合金變壓器采用了新材料新技術，工藝復雜，因此其產品價格較傳統變壓器高，一般比同型號傳統變壓器高30%左右；但由于其節能效果顯著，運營成本較低，所以其綜合使用成本較傳統變壓器低。以500kVA的非晶合金變壓器與常用的S9型變壓器相比，非晶合金變壓器每臺每年可節約電能6832.8kWh，一年節約電費5207元（現北京城區商用電電價為0.762元/kWh）。雖然非晶合金變壓器比S9型變壓器價格高30%左右，但所增加的成本，可在該變壓器運行的3~5年內全部回收。

　　1.4 結構性能特點

　　非晶合金變壓器采用全密封式結構，可延緩變壓器油和絕緣紙的老化，不僅結構緊湊，而且具有運行效率高、免維護的優點。非晶合金變壓器由于損耗低、發熱少、溫升低，故運行性能非常穩定。非晶合金變壓器低壓繞組為箔繞式，損耗低、抗短路能力強、結構先進合理。變壓器的聯結組別采用Dyn11，可減少諧波對電網的影響，改善供電質量，提高供電可靠性。

　　2 非晶合金變壓器節能效益分析

非晶合金變壓器與S9系列變壓器相比，其主要損耗的降低取決于空載損耗的大幅度降低。

　　2.1年節電費用比較

　　通過直接比較兩種變壓器的年空載損耗成本，來計算年節電費用，可簡單直觀地體現非晶合金變壓器的節能效益?，F以400kVA 、500kVA 和800kV的10kV變壓器為例來進行兩種能耗對比，見表1。

　表1 非晶合金變壓器電費節約比較

　　由表1可見，非晶合金變壓器的電費節約效益顯著，以500kVA為例，假設非晶合金變壓器的售價比S9貴1.8萬元/臺，每年節約的電費是5207元，簡單計算，購買非晶合金變壓器多增的投資，靜態回收期是3.8年，即多增的投資，在產品運行3.8年后，即可通過少支付電費的節約來回收。按產品使用期20年計算，在剩余的16.2年中共可節約電費76480元，幾乎可以新購一臺變壓器。如果當地的電費超過0.70元/kWh，則節能效益更顯著。

　　北京市電力公司城區供電公司配網運行592座開閉站（配電室、箱變），運行變壓器為1131臺，總容量906890kVA。在運行的變壓器中，型號多為S7/S8/S9 形式。運行負載率在1%以下為79臺；運行負載率在1%～50%為1014臺；負載率在50%以上為38臺。變壓器空載損耗是非常大的。如果采用非晶合金變壓器，降低設備空載損耗，對降低線損和提高公司經濟效益，意義將十分重大。

　　2.2 考慮無功分量和負載率時節約能耗估算

　　當變壓器運行時，不同的負載率有所不同，年運行能耗也不同，以200kVA 和500kVA 兩個容量比較，非晶合金變壓器與S9 硅鋼變壓器的性能參數和年運行能耗，見表2。

　表2 非晶合金變壓器節能效果比較表

　　注：假設無功當量系數取0.1kW/kvar；年平均負載系數按0.35，年運行時間按8760h計算。

　　從表2可知，一臺500kVA 的非晶合金變壓器運行一年后，比S9硅鋼變壓器節約能耗約9.4MWh，按0.7625元/kWh計算，每年可節約電費7167.5元。

　　2.3 性價比測算

　　總擁有費用法（簡稱TOC法）是一種評價變壓器能耗和價格合理性比較全面的性價比評估方法，在國外的變壓器采購評估中被廣泛使用。它是根據綜合比較變壓器價格和能耗水平的原則，按照總擁有費用最低來選擇變壓器。

　　當非晶合金變壓器的售價是S9變壓器的1.3倍時，TOC法測算的非晶變壓器性價比仍比S9高10.3%。

　　2.4 投資價差回收

　　非晶合金變壓器的空載損耗較S9降低80%左右，假設其價格僅比S9系列平均高出30%，其負載損耗與S9變壓器相等。當不考慮投資的貨幣時間價值，采用靜態投資回收期計算法進行計算，可得出在不同負載率情況下，多增投資可在多長時間內回收。

　　以500kVA 為例，經計算其節能效益與投資效益見表3：

　表3 按500kVA變壓器為例的節能效益和投資效益

　　2.5 投資價差回收年限計算

　　投資價差回收年限，一般有靜態和動態計算方法。

　　靜態投資回收期：不考慮投資的貨幣時間價值。

　　動態投資回收期：考慮投資的貨幣時間價值，將現在投資及未來收益均以資金的折現率折為現值。此法計算復雜，要涉及通貨膨脹率、資金銀行利率、折現率等，因此不確定因素多?，F采用靜態投資回收期計算法。

　　假設500kVA S9硅鋼變壓器的售價為8萬元，對應非晶合金變壓器的售價高30%，則兩者的售價差價是24000元：

　　在負載率β＝20%時，非晶合金變壓器投資的回收年限為3.1（年）；

　　在負載率β＝75%時，非晶合金變壓器投資的回收年限為3.1（年）。

　　國家《關于節約能源基本建設項目可行性研究的暫行規定》中指出：計算投資回收年限一般不應超過5年，最長不超過7年，按政策規定，非晶合金變壓器比S9變壓器多投資的部分，均在政策規定的年限內收回，因此推廣應用非晶合金變壓器，符合國家節約能源的政策導向。

　　3 非晶合金變壓器在電力市場的發展現狀

　　3.1 非晶合金變壓器的發展過程

　　非晶合金變壓器是在20世紀80年代初由美國開始研發生產的，當時美國認識到非晶合金變壓器對電力線路節約能源損耗的巨大潛能，由美國電力委員會組織了GE公司、霍尼韋爾公司、美國超導能源公司、美國南方電力公司等八大相關機構，聯合對非晶合金變壓器產品的商業化運作設計、制造、運行等環節，進行技術研發和實際運行可靠性驗證，至20世紀90年代初，歷時10年獲得成功，于是非晶變壓器開始了真正的規?；虡I化經營。

　　至今，規模化生產已近20年，目前在全世界范圍內被廣泛推崇，其中美國、加拿大、墨西哥、日本、印度、韓國等國家和臺灣地區均有大量非晶合金變壓器在掛網運行。特別是在日本，政府鑒于節約能源對國家發展的重要性，該國從2000年開始逐步提高非晶合金變壓器的上網比例，到2005年時，日本已規定所有配變必須使用非晶合金變壓器，在配電領域徹底淘汰相對高耗能的硅鋼變壓器。

　　中國從1998年開始批量生產，應用至今約有幾萬臺非晶合金變壓器掛網運行，容量自5kVA至1600kVA，產品形式包括箱式變電站和配變，最近幾年，鑒于國家對節能減排的重視，非晶合金變壓器的使用量呈爆發式快速上升趨勢。

　　3.2 非晶合金變壓器在國內市場的應用現狀

　　在國內，由于非晶合金變壓器的售價相對硅鋼變壓器要高，使其總的使用量受到限制，但近幾年，有兩個因素促使它的使用量快速提高。首先是由于銅價和硅鋼的價格飛速上漲，而非晶合金材料的價格基本維持不變，同時實現規?；a后產品成本的降低，使得兩者的售價差距迅速縮小，非晶合金變壓器稍高于常規變壓器的價格已被市場接受；其次是國家對節能環保問題的重視，使得一些有能力和有預見的地區率先大規模采用。目前已大批量采用的地區有上海、江蘇、浙江等，另有許多地區正處于批量應用和運行評估階段，如東北、寧夏、山西、云南、廣東、福建等。其中需要特別指出的是江蘇省電力公司，他們內部規劃今后新上線路和改造線路，非晶合金變壓器的使用量不得少于30%，2008年的非晶合金變壓器的招標數量達到為2萬多臺，已走在了全國前列。

　　3.3 非晶合金變壓器的生產狀況

　　目前國內市場中聲稱能生產非晶合金變壓器的生產廠家多達幾十家，但真正能實現規?；可a的廠家其實并不多。其中大部分的生產廠家均為原先的硅鋼變壓器生產廠家，其采購了非晶合金鐵芯后，套用改進原來的硅鋼變壓器生產技術進行生產，導致產品的質量穩定性有欠缺，對非晶合金變壓器的市場形象造成了不利影響。

　　其實，非晶合金變壓器的設計生產技術有它的特殊性，非晶合金材料和晶體化的硅鋼材料在某些材料特性上完全不同，因而兩種產品的設計加工技術也有很大的不同。

　　3.4 非晶合金變壓器的市場趨向

　　3.4.1 經濟背景

　　隨著國民經濟的高速增長，國內電力工業得到蓬勃發展，并可預見在未來的20年內電力市場仍將保持高速發展的態勢。非晶合金變壓器作為一種高效節能的產品，在20世紀90年代已經逐步引入電力市場，隨著它作為一種新產品被市場逐漸的認知，到2000年已經有一些廠家規模化生產，但由于非晶合金變壓器的材料成本比常規變壓器的材料成本高很多，約束了它的大規模推廣。自2004年以來，常規硅鋼片材料和銅材的價格暴漲，而非晶合金的價格保持在原位，使得兩者的價格差大幅度縮小，從而激發了非晶變壓器的銷售量大幅上升。更為重要的是，除了成本原因外，國家在經濟發展政策中提出了“能耗/GDP”的考核指標，這表示國家在產業政策中將大力推行節能產品的應用。非晶合金變壓器作為一種高效節能的產品，已引起了國家發改委和電力部門的高度重視。江蘇省、上海市和浙江省等經濟發達地區，以及電力供應不足地區已進入大批量采用階段。

　　3.4.2 政策背景

　　目前國家已著手解決電力結構性矛盾，改變過去“重發、輕供”的傾向，正重點發展電網建設，加快城鄉電網改造，堅決淘汰掉那些低效、高耗、性能落后、安全性差的設施，努力發展節能型的電氣設備。非晶合金變壓器高效節能的顯著優點，為電力市場提供了一種良好的選擇。

　　由于政府十分重視節約能源和環境保護。20世紀80年代中期，政府強制性地采用S7系列配電變壓器，在全國范圍內淘汰正在電網運行的JB1300-73和JB500-64標準的高能耗變壓器。從1998年開始，政府又不惜代價地在全國推行兩網改造，用S9系列配電變壓器取代S7系列變壓器。這先后兩次全國大規模的更新換代，新產品僅比老產品降低空載損耗約8%～15％，可見國家在節約能源、環境保護方面的決心是很大的。非晶合金變壓器其空載損耗僅為S9系列的20％，其節能效果已引起了國家有關部門的高度重視，不排除會強行推廣的可能性。

　　3.4.3 快速增長的機會

　　近年來，我國國民經濟的持續高速發展，基礎建設投資增加，國家對社會的可持續發展愈加重視，隨著相關決策層對節能環保的重視，節能電力設備的市場需求將快速增長，可以預見將對非晶合金變壓器的應用，將帶來市場增長的機會。

　　電力需求的加速增長，導致了電力供給緊張。同時，由于前幾年我國的電力規劃較為保守，近三年的電力裝機容量增長一直落后于用電量的增長。未來幾年，電力需求將保持持續的增長。

　　國家電網的建設，加上西電東輸、城鄉電網改造、三峽工程等大型電力項目的深入推進，以及國家電力行業體制改革的深化，國家在電力工業固定資產的投資力度將有可能加大。