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参赛作品
第六届高校环保科技创意设计大赛
作品题目:
新型环保节能变压器
学校:
石家庄经济学院华信学院
作品编号:
团队成员:
胡海玲、安鑫
团队名称:
碧水蓝天
指导老师:
陈青青
联系电话:
作品名称
新型环保节能变压器
作
品
简
介
电力变压器是电力系统的重要电气设备。
如何降低变压器器损耗,提高效率,推进节能、环保变压器发展成为电力行业关注的重点。
首先,减小变压器损耗的传统的方法有绕组改制和铁芯改制两种。
绕组改制法包括改高、低压绕组降容法、调容法、保容法、增容法。
铁心改制法包括调换铁心法、调换部分柱芯法、调换全部轭铁法、增减芯柱级数法、增减芯柱直径法、单片重叠铁心法等。
其次近几年兴起的非晶合金铁芯变压器得到了大力推广。
非晶合金是一种厚度极薄,仅 0.03mm 厚的导磁材料。
三相配电变压器采用非晶四框铁芯,它是经退火交错铁轭接缝的结构,铁芯与绕组都是呈长方形截面。
非晶合金材料与硅钢片相比,更易于以极少的能耗磁化或消磁,比传统硅钢变压器的空载损耗下降 80%左右,空载电流下降约 85%,节能效果显著。
此外,非晶合金材料在生产过程上较硅钢片更环保,非晶合金材料采用超级冷凝固技术,把温度在 1200℃以上的金属合金溶液喷射到高速旋转的冷却棍上,一次成型;相比硅钢片生产过程中的多道铸、轧、酸洗等工艺更加环保,生产过程节能 70%.它是目前节能、环保效果较理想的配电变压器,特别适用于农村电网和发展中地区等配变利用率较低的地方。
目录
摘要I
1绪论1
1.1引言3
1.2研究背景4
1.3其他国家非晶变压器研制情况5
1.4我国非晶合金变压器研制情况7
2实验步骤—我团队对非晶合金变压器研制情况8
2.1变压器原理8
2.2非晶合金铁芯变压器的结构及特点9
2.2.1铁芯结构10
2.2.2绕组11
2.2.3生产非晶合金铁芯变压器的技术难点及相应工艺保证措施12
2.2.4非晶合金铁芯性能特点13
2.2.4我团队对未来产品模型的预测
2.4我团队对非晶合金变压器实测情况14
3非晶合金变压器的实用效益分析15
3.1降损经济效益16
3.1.1实测经济性分析17
3.1.2推广性分析17
3.2投资回收分析18
3.3静态投资回收年限18
3.4动态投资回收年限18
4结论18
参考文献19
1绪论
1.1引言
面对全球控制温室效应的呼声,低碳经济已成为世界发展的趋势。
电力行业既是优质清洁能源的创造者,又是一次能源消耗大户和污染物排放大户。
因而变压器也是国家实施节能节排的重点领域。
通过采用新材料的方法,来降低配电变压器的空载损耗值,是一条行之有效的途径。
大家都知道,变压器是交换交流电压,电流和阻抗的器件,是利用电磁感应的器件,从一个电路传递电能或传输信号的一种电器。
二十世纪中后期,干式变压器在世界范围内得到迅速的发展。
近几年来,随着我国现代化建设的发展,城乡电网负荷不断增加,干式变压器在我国得以广泛的应用,每年以高达20%以上的增长率迅猛增加。
但因其能源资源无法重复使用及消耗后不能再生的特点,所以能源资源只会愈来愈少,这就导致电价愈来愈高。
且因全球二氧化碳排放量愈来愈高,形成的温室效应使全球气候异常,反常对人类的影响也日趋明显。
为了保护环境,我们积极主张推进绿色环保重点产品—非晶铁心变压器。
作为新一代名副其实的绿色环保重产品,它可带来少建厂,减少温室气体排放,大大地减轻对环境的直接污染等良好的环保效益。
同时非晶质铁心变压器也是符合国家倡导的“节约资源,保护环境,建设节约型社会”的产业政策,发展正逢其时。
2012年8月国家发改委在《节能减排“十二五”规划》明确了节能减排的具体目标和投资规划,要求“十二五”期间降低电力变压器损耗,其中空载损耗最少降低10%,负载损耗最少降低17%。
同年10月,在GB20052标准的修订内容中,又提出了各种技术数据指标,将S9型作为淘汰目标,S11型作为合格目标,而S13型和S15型作为高效节能目标,提高了能效限定值水平和节能评价值水平。
在2012年11月,国家发展改革委印发《节能产品惠民工程高效节能配电变压器推广实施细则》,明确支持非晶变压器的推广使用。
2013年7月1日,国家实施强迫性标准《电力变压器能效限制值及能效等级》。
据有关专家介绍,在完成变压器的新老更替后,以变压器的经济运行起(20年)估算,累计可节约700亿千瓦时用电量,折合标准煤3200万吨,可削减二氧化碳排放量6900万吨,削减二氧化硫排放量390万吨。
故我们不难看出,以上国家出台的各种节能规划和细则都在为节能型变压器的推广提供政策支持。
当然,节能环保变压器在技术上也面临着一些问题。
例如非晶铁芯的磁滞伸缩要较传统晶粒取向冷轧硅钢片要大,因此噪声水平不易保持。
蒸发冷却变压器的研发和制造,主要依赖于氟材料在氮气设备领域的研究,从材料中提取氟的合成物的技术非常复杂。
这些问题的研究都有待于在今后的工作中日益解决和完善。
1.2研究背景
电力损耗是电力系统的重要设备,其损耗在电网中占30%~40%。
我国硅钢铁芯变压器效率为96%~99.7%,所有变压器耗能占全国发电量的3%~10%。
降低变压器损耗,提高输变电效率,是目前世界各国普遍关注的问题。
在能源日趋紧张的今天,在节能降耗指标日益严峻的形势下,世界各国纷纷将目光聚焦于节能型变压器的身上,致力于研究变压器节能新材料与新技术。
在我国推广应用非晶合金铁芯配电变压器对节能和环境保护有着重大意义。
非晶材料生产过程节能70%,非晶变压器空载损耗减少70%,是双节能产品,据专家测算,相同规格的硅钢变压器与非晶变压器的市场价格之比已由数年前的1:
2回落到目前的l:
1.3以下。
非晶变压器如果突破原材料供应制约瓶颈,加之又符合国家倡导的“节约资源,保护环境,建设节约性社会”的产业政策,发展正逢其时。
一位电器行业的专家曾做过这样的分析,我国年均生产配电变压器约2.4亿KVA,如30%改用非晶材料,年生产非晶变压器为7200万KVA,以每台变压器200KVA为例,年产非晶变压器将达36万台。
这将降低变压器空载损耗13万KW,一年可节约用电11.4亿KWh。
相当节约电煤43.3万吨,减少燃煤有害气体排放1.1万吨。
国家发改委、科技部、中国机械工业联合会等单位目前已经非常关注非晶配电变压器在中国的推广使用情况,安泰科技股份有限公司在多年非晶配电变压器铁芯开发应用的基础上,近期将在非晶配电变压器原材料的生产能力上进行大规模投资,万吨级非晶配电变压器带材生产线投资2.6亿元,在2010年提供500吨非晶配电变压器用带材,在2012年提供10000吨非晶配电变压器用带材。
2014年向市场提供40000万吨非晶配电变压器用带材。
为国家电力行业配电变压器的应用提供强力支持。
同时变压器作为输变电系统中的主要设备之一,尽管它的效率很高(大型变压器效率高于99.5%,小型变压器也在98%以上),但由于它的总容量大(一般情况下变压器的总容量为发电容量的5~7倍),加上在输配电系统中变换级次多,损耗可占线路总损耗的17%。
中小型配电变压器虽然单台容量小,但数量多。
由下图看出我国要求在较短时间内,推广使用低耗能变压器,改造高耗能变压器,这是节能挖潜、提高经济效益的有效途径。
如果每降低1%,每年可节约上百亿度电,因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施。
电力系统要把电能从发电站送到用户,至少要经过4-5级变压器方可输送电能到低压用电设备(380V/220V)。
虽然变压器本身效率很高,但因其数量多、容量大,总损耗仍很大。
据估计,我国变压器的总损耗占系统总发电量的10%左右,如损耗每降低1%,每年可节约上百亿度电,因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施。
1.3其他国家非晶变压器研制情况
自1980年联信公司首次推出15KVA非晶变压器以来,非晶配电变压器研制工作有了很大的发展,750KVA及以下的非晶配电变压器已进入了商品化的生产。
最近,美国路易斯安那州什里夫波特市通用电气公司成功地制造了至今世界上最大的2500KVA三相非晶变压器,它的空载损耗从2400W(硅钢片)下降到845W。
该公司还成功研制了1000KVA、1500KVA、2000KVA非晶变压器。
至1993年世界各国和地区非晶变压器生产数量和1995年生产能力列于表1.1。
表1.1世界各国和地区非晶变压器生产情况
美国
日本
欧洲
中国
中国台湾
1993年已经生产(台)
115000
20000
200
样机
—
1995年生产能力(台)
175000
60000
1000
5000
虽然非晶合金材料(2605S2)在减少空载损耗方面有其特殊的优越性,各制造厂商在非晶变压器发展过程中,还从不同角度做了大量研究工作,以证明非晶变压器的运行稳定性。
据IEEE1986报导,美国西屋公司生产的单相柱上式25KVA非晶变压器,技术性能如下表1.2:
表1.2美国西屋公司非晶变压器技术性能表
额定容量(KVA)
相数
一次额定电压(V)
二次额定电压(V)
空载损耗(W)
负载损耗(W,85℃)
阻抗电压(%,85℃)
25
1
7200
120
24
249
3
美国通用电气公司(GE)早在1974年就认识到非晶合金材料潜力,设在纽约Sehencrady的通用电气公司研究所对此进行了大量广泛的研究。
在变压器的结构和关键工艺上取得突破性进展,并获得专利。
非晶变压器研制在通用电气公司始于1978年,小容量的模型产品曾进行过试验,第一台非晶变压器于1982年4月13日正式投入运行,该变压器经7年运行,通过对空载损耗和空载电流的监测,测量值与出厂时试验值基本一致。
CE公司从1986年开始已能提供单相、三相非晶变压器,它的空载特性与硅钢变压器的对比列表1.3,从表中可以看出,单相非晶变压器空载损耗下降60%—70%,空载电流下降50%—60%,三相非晶变压器的空载损耗下降60%—65%,空载电流下降55%—60%。
表1.3非晶变压器与硅钢片变压器的性能比较
型式
KVA
非晶合金
硅钢片
空载损耗(W)
负载损耗(W)
空载电流(%)
阻抗(%)
重量(Kg)
空载损耗(W)
负载损耗(W)
空载电流(%)
阻抗(%)
重量(Kg)
单相
10
12
102
0.31
1.6
318
29
111
0.6
1.8
300
15
16
141
0.27
1.9
422
41
143
0.7
1.9
321
25
18
330
0.15
2.5
441
57
314
0.36
2.5
406
50
29
455
0.13
2.7
719
87
462
0.23
3.2
709
75
37
715
0.09
3.3
994
122
715
0.38
3.0
821
100
49
944
0.09
3.0
1131
162
933
0.21
2.6
961
三相
75
51
925
0.14
4.0
2030
142
956
0.31
4.1
2000
150
90
1397
0.10
3.9
2870
227
1429
0.24
3.5
2900
300
165
1847
0.10
3.9
4360
425
2428
0.14
5.1
3600
500
230
3282
0.09
4.8
6090
610
3589
0.18
4.6
4900
750
327
3368
0.07
5.75
6600
713
5206
0.15
5.75
6800
1000
419
5626
0.07
5.75
8200
1033
6839
0.17
5.75
7000
GE公司生产的1000台25KVA非晶变压器投入电网运行后,有12台返厂修理,其中3台是由于雷击高压套管闪络损坏,6台低压套管漏油,1台过载250%时导致绕组烧坏,还有2台是从电线杆上掉下来捧坏,20000多台其他各种容量非晶变压器返厂修理的只有3台,单相50KVA和100KVA各1台,都是由于雷击高压套管闪络损坏,1台三相500KVA是绕组损坏,上述损坏的变压器经修复,再次挂网运行。
这20000多台非晶变压器自1982年运行至1989年,没有1台是因铁芯故障而返修的。
目前已有几十万台非晶变压器在美国挂网运行。
在日本,由东京电力公司、TaKao电气有限公司和日立电气有限公司对非晶变压器长期可靠性做了深入仔细的研究。
他们从1991年起对不同容量的200台非晶变压器进行了加速老化、现场运行、短路、冲击等试验,还进行了负载和振动对变压器空载特性的影响测试。
为了取得非晶变压器的运行经验,他们用10—50KVA的4个不同容量各50台单相柱上式变压器(CSP型——即全自保护型)进行现场运行试验。
被试变压器在运行期间空载特性的测量都是在现场进行,并测试变压器的油温(用来计算空载特性随温度变化的修正值),在变压器接地线处安装电磁传感器,测量雷电电流。
同时还测量负载电流和本体振动,观察它们对空载特性的影响。
200台变压器经6个月现场运行,其空载损耗变化不大,空载电流有所下降。
日本方面的研究结果表明,非晶合金卷铁芯配电变压器,经加速老化试验(包括终端试验在内各项试验)和200台非晶变压器现场运行考核,在30年寿命期内空载特性是稳定的。
加拿大第一台非晶变压器于1984年由联邦先锋公司(FederalPioneer)制造,在萨斯克电气公司(SasKPower)投入运行。
多年运行证明,该变压器空载特性保持不变,有较高的可靠性。
安大略省北约克(NorthYorK)公司,1991年安装11台单相75KVA(CSP)非晶变压器。
其中2台由ABB加拿大公司制造,9台由蒙罗尼(MoloneyElectric)电气公司制造。
安大路省北约克公司安装使用30台50KVA非晶变压器,其中10台由ABB加拿大公司制造,20台由蒙罗尼电气公司制造。
1992年蒙罗尼电气公司制造20台37.5KVA和10台50KVA非晶变压器供尼亚加拉电力公司使用,其特性如表1.4所示[3]。
表1.4蒙罗尼电气公司非晶变压器性能表
容量(KVA)
非晶变压器
硅钢片变压器
Pe(W)
Ph(W)
Pe(W)
Ph(W)
37.5
34
255
104
275
50
41
335
127
339
西班牙Bilbao—ABBTrofedlsSA公司最近制造的三相250—630KVA非晶变压器,其特性如表1.5所示。
表1.5西班牙SA公司非晶变压器性能表
容量(KVA)
非晶变压器
硅钢片变压器
Pe(W)
Ph(W)
Pe(W)
Ph(W)
250
160
2300
650
3250
400
210
3650
930
4600
630
300
4930
1300
6500
意大利国营电力能源公司(ENEL),1992开始研制160KVA和250KVA非晶变压器各2台,已顺利地通过型式试验,其中2台于1992年7月投入运行。
1992年以来,印度新德里非晶金属有限公司(USHAAmorphorsMetalshd)生产25KVA、63KVA和100KVA三相非晶变压器共45台,空载损耗为硅钢片变压器的30%—40%。
安装于MadhyaPradsh的国家电力研究院。
1.4我国非晶合金变压器研制情况
我国非晶合金材料的研究主要集中在冶金部钢铁研究总院、上海钢铁研究所、北京冶金研究所、陕西钢铁研究所及东北大学等单位。
1981年以前主要解决设备问题,1981年以后逐步建立了我国的铁基、铁镍及钴基非晶合金材料体系。
非晶电力变压器是非晶合金材料的最大市场,非晶配电变压器的开发,不但具有重大节能效益和社会效益,也是非晶合金材料实现产业化的基础。
经冶金部钢铁研究院、上海钢铁研究所、首钢冶金所三家共同努力,到1990年底,已能成批制取l00mm宽的铁基非晶带材,其性能达到技术要求。
用非晶合金材料研制的配电变压器主要有:
1986年6月上海变压器厂研制成功国内首台非晶铁芯配电变压器,其铁芯用美国联信公司赠送的非晶合金材料(2605S2),采用三柱、三框卷绕封闭形结构,技术参数如下表1.6:
表1.6我国首台非晶变压器技术参数
型号
额定容量(KVA)
相数
频率
一次额定电压(V)
二次额定电压(V)
阻抗电压(%)
联结组
冷却方式
使用场所
调压方式
S14—30/10
30
3
50
10000±5%
400
4
Yyno
油浸自冷
户外
无励磁调压
该变压器例行试验和型式试验全部合格,达到了预期技术要求,与同类型SL7配电变压器相比,空载损耗下降了82%,空载电流下降了94%,充分体现了非晶材料优越的性能。
表1.7列出了30KVA非晶变压器与同类变压器对比数据。
表1.730KVA非晶变压器与同类变压器对比数据
项目
空载损耗(W)
空载电流(%)
负载损耗(W)
阻抗损耗(%)
绕组一次
绕组两次
油顶层温升(K)
冲击电压峰值(KV)
铁芯重(Kg)
总重(Kg)
SL7
150
2.8
800
4
65
65
55
75
100
307
非晶
27
0.15
744
4.14
48.9
44.9
38.4
75
103
365
1987年l2月30日该产品安装在上海宝山县综合厂,投入电网试运行至1990年2月27日,运行情况良好。
1990年3月,上海变压器厂对该变压器空载特性进行复试,复试结果表明,空载特性无明显变化。
在现场运行期间,对该产品共进行了14次检查和性能测试,前4次主要测量变压器的各相电压、电流,后10次测量了变压器的空载损耗和空载电流,均无明显变化。
该变压器的铁芯采用传统叠片式三柱结构,芯柱截面为内接七级多边形,铁轭为T型结构。
芯柱直径为
mm,最大片宽160mm,芯柱截面积为178
,叠片系数0.8,非晶铁芯总重319.2Kg(芯片中有硅钢片11.2Kg,占总重量的3.4%)。
高、低压绕组采用圆筒式结构、导线重量为98Kg。
该厂在应力和退火处理工艺对非晶材料空载特性的影响方面,做了大量研究工作,当压应力由零增长到0.3MPa时,铁芯比损耗由0.2W/Kg增大到0.28W/Kg。
非晶材料样品比损耗为0.18W/Kg,成品增大到0.54W/Kg。
铁芯在380℃,磁场强度为2000A/m。
氩气保护下退火处理,空载损耗为174W,空载电流1.58%,比损耗为0.52W/Kg。
装配后空载损耗上升到187W,增加了7.5%。
1989年8月和1990年7月,上海钢铁研究所分别与洛阳变压器厂和太仓变压器厂共同研制出三相30KVA和50KVA非晶配电变压器各一台,其基本技术参数和试验值列于表1.10。
表1.10上海钢铁研究所非晶合金变压器技术参数
额定容量(KVA)
额定电压(V)
相数
频率(Hz)
联结组
材质
空载损耗(W)
空载电流(A)
负载损耗(W)
铁芯重(Kg)
总重(Kg)
工厂
30
10±5%/0.4
3
50
Yyn0
标准值
≤50
—
800
—
—
洛阳变压器厂
试验值
40.5
1.03
797
—
—
S7标准值
150
2.8
800
—
—
50
10±5%/0.4
3
50
Yyn0
标准值
65
0.4
1091
—
—
太仓变压器厂
试验值
61
0.5
1062
205
582
S7标准值
190
2.6
1150
115
375
S标准值
170
2.2
870
139
455
洛阳变压器厂试制的30KVA非晶变压器,铁芯为三柱双窗卷绕式,直径
115mm,分为四级,叠片系数取0.72。
该铁芯穿线用临时绕上几匝的办法来试验。
空载损耗为36.8W(B=1.3T),成品试验上升到40.5W,与同容量S7型(150W)相比较下降了73%。
空载电流下降了63.2%。
太仓变压器厂采用同样的铁芯结构,但芯柱截面近似圆形(微阶梯形),铁芯重205Kg,空载损耗61W。
分别比S7型和S9型下降了68%和64%,空载电流0.5%,分别比S7型和S9型下降了80.7%和77%,达到设计要求。
长沙变压器厂于1990年12月共试制2台三相50KVA非晶变压器,其中一台是国产铁基非晶合金,另一台是美国联信公司提供的2605S2非晶材料。
宽度为l00mm,铁芯采用叠片式,非晶材料的剪切粘合和退火均由上海钢铁研究所协助加工。
铁芯截面为矩形,叠片系数取0.81,铁芯重177Kg,变压器设计时磁通密度取1.14T。
这两台变压器铁芯叠装工艺与众不同。
首先将经浸漆烘干的矩形绕组放在平台上,并调整好中芯位置,然后在绕组中放上夹板,非晶铁芯片就在夹板上进行叠装。
为了增加铁芯的强度,在非晶合金片每隔16mm放一层0.35mm的冷轧硅钢片。
在叠装过程中,铁芯经多次压装才达到厚度(163mm)要求。
在177Kg铁芯中约有3.8—4Kg(2.15%—2.28%)硅钢片。
试制结果表明,国产非晶材料的叠片系数达0.81,美国的可达0.89。
成品的最终试验结果列于表1.11。
表1.11国产非晶材料成品性能
产品型号
空载损耗(W)
空载电流(%)
负载损耗(w)
总损耗(w)
阻抗电压(%)
铜重(Kg)
油重(Kg)
总重(Kg)
外形尺寸(mm)
S14—50/10/0.4国产料
98.2
1.98
1080
1178.2
4.37
89
140
540
880×690×1060
S14—50/10/0.4(2605S2)
86.3
1.87
1093
1179.3
4.49
89
140
540
880×690×1060
S7—50/10/0.4(Z10—0.35)
187
1.1
1150
1337
3%
65.2
106
430
960×720×1121
2实验步骤—我团队对非晶合金变压器研制情况
2.1变压器原理
在一次绕组上外施一个变流电压U1便有I0流入,因而在铁芯中激励一个交流磁通
,磁通
同时也与二次绕组匝链。
由于磁通
的交变作用在二次绕组中便感应出电势
。
根据电磁感应定律可知,绕组的感应电势正比于二次绕组的匝数。
因此只要改变二次绕组的匝数,便能改变电势
的数值,如果二次绕组接上用电设备,二次绕组便有电压输出,这就是变压器的工作原理,其原理图如图2.1。
图2.1变压器工作原理图
在原线圈(一次绕组)上加交变电压,原线圈中就有
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