摘要：分析非晶合金材料、非晶合金铁心及非晶合金铁心变压器的各方面技术性能等问题。文章认为，非晶合金铁心变压器具有明显的节能、环保作为，是配电网更新换代的长线产品，应积极推广应用。

关键词：非晶合金材料、非晶合金铁心、非晶合金铁心变压器、技术性能、经济可行性、环保

自1885年匈牙利的冈茨工厂首先研制成第一台具有闭合磁路的单相变压器以来，铁心一般是碳素钢丝或碳素钢作为当时的导磁材料，铁心是卷铁心结构。1903年出现热轧硅钢片，铁心结构改为叠片式，空载损耗降低50%以上。1935年美国阿尔姆柯公司向市场供应冷轧硅钢片。1964年日本发明高导磁晶粒取向冷轧硅钢片。1964年日本的新日铁公司开始市场供应这种硅钢片。这样，变压器的空载损耗又一次大幅度下降，0.23mm厚经激光照射或等离子处理的高导磁晶粒取向冷轧硅钢片于50Hz及1.7T下的单位损耗已降到每公斤0.9瓦。

1960年美国加利福尼亚大学首先从金和硅合金中发现另一种导磁的非晶合金，1974年美国联信公司研制出铁基非晶合金，1974年美国GE公司发现它有较低单位损耗（1.5T60Hz下的单位损耗为0.44W/kg）。从此，变压器行业开始注意非晶合金作为配电变压器导磁铁心的材料。

而我国自1998年开始进行大规模城乡电网建设与改造以来，采取推行S9型节能配电变压器、停止生产S7型和淘汰电网中“64”和“73”系列高耗能变压器等措施，对降低电网线损起到了积极作用。据统计，全国线损率从1996年的8.52％下降到2004年的7.59％。但与先进国家相比仍高出1.5～2个百分点，相当于每年多损耗150亿～200亿kWh电量，可见降耗任务很重，潜力也相当大。所以，非晶合金铁心变压器作为节能效果十分明显的配电技术和设备，近年正逐渐地被制造厂和广大用户所接受。

非晶合金材料是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，采用国际先进的超急冷技术将液态金属以106℃/S冷却速度直接冷却形成厚度为0.02～0.04mm的固体薄带（非晶合金带材有142㎜、170㎜、213㎜三种规格，非晶合金带材轧制过程见图1），得到在原子排列组合上具有短程有序、长程无序特点的非晶合金组织，它与硅钢的晶体结构完全不同，比硅钢更利于被磁化和去磁（磁化曲线及比较分别见图2、3），是非常理想的导磁材料。

图1 非晶合金带材轧制过程

图2 非晶合金带材磁化曲线

图3 非晶合金与矽钢片磁化曲线对比

典型的非晶态合金含80%的铁，而其它成份是硼和硅。非晶合金还具有优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等许多独特的优良性能。因此，使非晶合金材料广泛地应用于电子和电力设备行业中。

（1）、非晶合金在成材过程中急速冷却、卷绕铁心时会产生应力，而非晶合金铁心材料对机械应力非常敏感，无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能，为了获得良好的损耗特性，非晶合金铁心成型后必须在一定的磁场条件下进行退火处理。而其退火工艺比较复杂，要求较高。

（2）、由于非晶合金铁心的损耗会随着压力的增大而增加，在对非晶合金铁心进行退火处理的同时，还需要我们在器身结构设计时给予充分考虑，采取合适、有效的措施。

（3）、非晶合金铁心材料退火之后使材料变的非常脆，易产生碎屑，需要我们在生产过程采取一定的工艺措施。

（4）、非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.025mm，不到常用硅钢片的1/10；非晶合金铁心叠片系数较低，只有0.86。

（5）、非晶合金的饱和磁通密度较低（约1.5T），所以非晶合金铁心的额定磁通密度（1.3—1.4T）比冷轧硅钢片（1.6—1.7T）低。因此，产品设计受到材料的限制。

（6）、非晶合金铁心的结构形式：

单相非晶合金铁心变压器的铁心结构一般为“框”形（如图4所示）；

图4 单相非晶合金铁心变压器的铁心结构

三相非晶合金铁心变压器的结构则由4个“框”合并成类似的三相五柱式结构（如图5所示）；一般来说，从500KVA开始则采用8个铁心框叠放在一起的结构。

图5 三相非晶合金铁心变压器的铁心结构

非晶合金铁心采用的铁基非晶合金材料不存在晶体结构，磁化功率小、电阻率高，所以涡流损耗小，变压器的空载损耗、空载电流非常低。非晶合金铁心变压器的空载损耗只有S11型配电变压器空载损耗的35％左右（非晶合金带材的损耗特性见图6、图7），特别适合用于农村、乡镇、学校、路灯等用电负荷波动较大的区域。

图6 非晶合金带材单位损耗（85℃）

图7 非晶合金带材单位激磁容量（85℃）

但是有人认为，运行后的非晶合金铁心变压器的空载损耗会呈增加趋势。应该说，这种担心是没有必要的，因为非晶合金的居里温度约为415℃，晶化温度为550℃。这些温度对于非晶合金带加工、铁心成形后退火、正常运行温度、短路热稳定温度都已是足够高的值，所以对晶化的担心在实际上是不存在的。

对于三相变压器来说，由于采用四框五柱式结构，每个相绕组套在磁路独立的两框上，每个框内的磁通除基波磁通外，还有三次谐波磁通存在，三次谐波磁通占基波正弦波磁通的百分数则与运行时额定磁通密度选用值有关。一个绕组内两个卷铁心框内三次谐波磁通正好在相位上相反，数值上相等。因此，整个每一组绕组内的三次谐波磁通相量和为零。

所以，只要变压器三相绕组接法，如采用D接，有三次谐波电流的回路，在感应出的二次侧电压波形上就不会有三次谐波电压分量。当然，每个框内的空载损耗还是会受到各自框内三次谐波磁通的影响。而且，高压采用D接有利于单相接地短路故障的切除，并且能充分利用变压器的设备能力，因此，其联结组多采用D,yn11结线方式。

高低压绕组采用特殊的方式统绕，装配时将绕组支撑在单独的绕组支撑系统上并用层压木压紧、固定，这样可使铁心不受或受到极小的压力，减少了变压器在突发短路时线圈在径向的变形。因此，当线圈偶然发生短路时，能适应较大的机械应力破坏，从而大大提高和保证了非晶合金铁心变压器的抗短路能力。

铁心材料的磁滞伸缩现象是变压器产生噪声的主要原因，而且与铁心的尺寸和磁通密度有密切关系。在同一磁通密度下的磁致伸缩，非晶合金的这一值是比传统晶粒取向冷轧硅钢片要大。但是，冷轧硅钢片的饱和磁通密度较高，约为2.03T左右，而非晶合金的饱和磁通密度较低约为1.5T左右。因为非晶铁心变压器的额定工作磁通密度要比冷轧硅钢片铁心变压器的额定工作磁通密度要低得多，实际的磁致伸缩是接近的。

从同规格变压器不同导磁材质的实际声级水平来看，非晶合金铁心变压器与冷轧硅钢片铁心变压器具有相同的声级水平，也就是说，就声级水平而言，非晶合金铁心变压器与冷轧硅钢片铁心变压器具有相同的声级水平。

同规格非晶合金铁心变压器与传统铁心变压器相比，非晶合金铁心的质量和有效截面积都要大40%左右，这在一定程度上会使变压器的噪声增大，只要我们在设计时采取合适、必要的技术和工艺措施，就可以很好的保证变压器的噪声水平。

由于非晶合金铁心变压器的空载损耗很低，具有很好的节能效果，可以很好的降低电网线损中变压器造成的损耗。在目前市场状况下，通过对SH15型三相油浸式非晶合金铁心配电变压器与S9型三相油浸式配电变压器经济性的分析比较，就投资回收期而言，非晶合金铁心配电变压器在3年多时间里节约的电费就可以补回投资差额，之后用户便可长期受益。

我国每年的变压器需量约1亿kVA，若全部采用非晶合金铁心变压器，一年可节电20亿kW·h以上，年节约近l0亿元的耗能费用。同时，还可带来良好的环保效益，少向大气排放CO₂、SO₂，减少不可回收的废料。从长远来看，推广非晶合金铁心变压器既可为国家节约大量能源，又能取得显著的环保效益，值得大力推广。

三相配电变压器采用非晶合金作为铁心的导磁材料，不单有节能效益，而且有环保效益。非晶合金又是在退火后按标准尺寸供货，变压器制造厂不多增加铁心加工生产线，所以，在推广上不应有难题。在合理的设计参数与合理的绕组与铁心配合结构下，会获得合理的非晶合金铁心变压器价格。

非晶合金铁心不但可用于配电变压器，还可推广到组合式变压器（即箱变）；不但可用于油浸式配电变压器，还可用于树脂浇注式干式变压器；不但可用于工频变压器，还可用于中频变压器。如将非晶合金推广延到超微晶合金，使饱和磁密度降到1.25T左右，使起始导磁率提高。这将是测量级电流互感器的最理想导磁材料，比坡莫合金的价格要便宜得多，性能比坡莫合金还要好些。

展望未来，人们会更加珍惜能源的使用，会更长远、全面地考虑投资的价值。因而，可靠的、节能降耗的非晶合金铁心变压器将受到越来越多的重视，有着广阔的发展前景。

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