一、非晶合金变压器的发展历程

在日常生活中，我们所接触的固体材料一般分为晶体和非晶体两种。所谓晶体，其内部粒子（原子、离子、分子）在空间按一定规律作周期性重复排列，绝大多数常见的固体都是晶体，如氯化钠、金刚石、干冰、金属铜等。反之，内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态，则为非晶体，非晶体又称为无定形体。如玻璃、石蜡、沥青等。

金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一旦金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金。于是人们就采用一种快速凝固的工艺，将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上，合金液以每秒百万摄氏度的速度急速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的合金液降到室温，一次成型为厚度仅有0.03mm左右的合金薄带。

非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。

首先，具有优良的软磁性能，它的饱和磁感高，磁导率高，损耗低。

其次，具有稳定的化学性能，耐磨性高，耐腐蚀性强。

第三，具有优良的电学性能，电阻率高，机电耦合系数高。

第四，具有优良的结构性能，强度高、硬度高、韧性好。

因此，非晶态合金材料在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加有效载荷；用于民用电力、电子设备上，可大大缩小电源体积，提高效率，增强抗干扰能力；用在变压器上，可以大幅降低空载损耗，降低谐波。

从上世纪70年代开始，美国开始联合进行非晶合金变压器产品的技术研发，到上世纪80年代末实现了商品化生产。目前，在美国、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，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。

我国的非晶合金材料研究也起步较早，上世纪70年代中期，国家科技部从"六五"开始连续五个五年计划均将非晶、纳米晶合金研究开发和产业化列入重大科技攻关项目。目前，国内的大部分变压器生产厂家均已经能够生产非晶合金变压器，挂网运行的非晶合金变压器也有数万台。

二、非晶合金变压器的特点

1．铁心特性

（1）非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.03mm，不到常用硅钢片的1/10，叠片系数较高，能达到88%以上；常用的带材宽度有142、170、213mm三种。

（2）非晶合金铁芯的磁导率高，激磁功率低，矫顽力小，磁滞损耗小；电阻率大，涡流损耗小。

（3）约在1.4T的磁通密度下，非晶带材与硅钢片的励磁曲线封闭面积相差很大,根据实测的数据，非晶铁损约为硅钢片的10%。

（4）非晶合金的硬度较大，是常用硅钢片的5倍。因此，加工剪切很困难，对设备、刀具要求较高，一般是对边缘剪切处进行加温从而获得良好的剪切面。芯柱由同一宽度的非品合金带卷制而成，故铁心截面呈长方形，相应的商、低压绕组均为矩形。

（5）非晶合金在成材过程中急速冷却和卷绕铁心时会产生应力，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。其退火工艺比较复杂，要求较高。

（6）非晶合金铁心材料退火之后的脆性(易产生碎屑)也是设计制造时需关注的问题，需要采取一定的工艺措施。

（7）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。所以，铁心的损耗会随着压力的增大而增加，这需要在器身结构设计方案中予以充分考虑.

（8）早期的非晶合金变压器为“三相五柱式”结构，设备体积大、重量重，近年来，经过技术革新和工艺改进，出现了“三相三柱式”结构，外观更接近硅钢片变压器，体积小、重量轻无侧柱铁芯问题。

2．非晶合金变压器运行后的空载损耗

非晶合金片磁滞损耗和涡流损耗都明显低于取向硅钢片，新国标二级能效的SCBH15系列非晶合金变压器和SCB13系列硅钢变压器的空载损耗数据对比：

可见，非晶合金铁心配电变压器的空载损耗相比硅钢配电变压器空载损耗，可以降低60%左右。

3．非晶合金变压器的防潮性

在防潮性能方面，非晶合金变压器具有高强度和优异的粘结性、抗污染性好。

4．非晶合金变压器的经济性及节能减排效果分析

非晶合金变压器因降低了60%左右的空载损耗，其节能效果是显而易见的。但目前，因生产成本的问题，价格仍比传统硅钢片变压器高出约20%左右。

以2500kVA变压器为例，在10kV新能效标准的二级能效下进行节能核算，其节能效果如下表所示：

从上表可见，单台2500kvA的非晶合金变压器，相比同容量的硅钢变压器，每年可节省12527度电，按0.6元/度计算，每年将节约费用约7516元，按30年设计使用寿命计算，可累计节约电费约22.55万元。而且，单台2500kVA非晶合金变压器在其全生命周期运行期间，可少排放CO2约330吨。

三、非晶合金变压器的性能测试

1．非晶合金变压器的稳定性测试

第三方检测机构对2004年安装使用的SBH15非晶油浸式变压器和SCBH15非晶干式变压器进行了测试，结果如下：

可见，非晶油浸式变压器和干式变压器的空载损耗、负载损耗、噪音等性能在运行了19年后，并未产生明显变化，运行效果稳定。

某项目投入运行时，各台变压器的运行电流、线圈温升、铁芯温升数据如下表所示：

在三相A、B、C相电流基本不变条件下，非晶变压器线圈温升及铁芯温升基本没有变化，这说明非晶变压器产品在长期运行后各项运行参数是稳定的，非晶铁芯结构安全可靠。

2．非晶合金变压器的谐波测试

非晶合金以其高磁导率及高频损耗低的特性，可以给设备带来抑制谐波、降低谐波损耗的优势。

非晶合金变压器和硅钢变压器的谐波测量对比结果：

可见，非晶合金变压器高低压侧的电流谐波含量均低于硅钢变压器；对比高低压侧的谐波含量的差值可知，非晶合金变压器的高低压侧谐波的差值均大于硅钢变压器。因此，非晶变压器谐波电流的抑制方面优于硅钢变压器。

四、结论

非晶合金变压器在制备节能、降低空载损耗、降低谐波以及运行的稳定性等方面均比传统硅钢片变压器有很大的优势。2020年12月22日，工业和信息化部办公厅 市场监管总局办公厅 国家能源局综合司联合印发了《变压器能效提升计划（2021-2023年》的通知。在加强关键核心技术研发中明确要开展高牌号取向硅钢片、高压大功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、超净交联聚乙烯（XLPE）绝缘料、特高压直流套管、非晶态合金、新型合金绕组、环保型绝缘油、绝缘纸（板）、硅橡胶等高效节能变压器用材料创新和技术升级。并要求自2021年6月起，新增变压器须符合国家能效标准要求，鼓励使用高效节能变压器。支持可再生能源电站、电动汽车充电站（桩）、数据中心、5G基站、采暖等领域使用高效节能变压器，提高高效节能变压器在工业、通信业、建筑、交通等领域的应用比例。

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