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采用非晶态合金铁心变压器时应注意的几个问题
    


      由于低损耗是电力传输设备的重要性能指标之一,因此非晶合金铁心变压器以其显著的低铁损(空载损耗)性能倍受生产制造和电力用户的关注。近年来通过不断的改进非晶合金的品质性能,提高非晶合金铁心的生产规模,从而大大地降低了非晶合金铁心的价格,而且供货商可以根据要求提供不同规格的卷制铁心,使非晶合金铁心在配电变压器的制造和使用上都得到较大的推动。那么什么是非晶合金铁心呢?它的物理性能如何?低损耗的性能究竟如何呢? 这些都值得我们电力设备的运行管理部门和试验技术人员予以关注。


      1 什么是“非晶态合金”


      “非晶态合金”最早是由美国加利弗尼亚工科大学的P.Duwez等人于1960年发现,当时将其用于磁传感器,如:超级市场、图书馆等。其后由美国GE公司(通用电气公司)的Luborsky进一步发现其低铁损性能(0.44 W/kg),从而引起人们的关注,开始研究将其用于变压器的铁心制造。


      用于变压器铁心制造的“非晶态合金”主要是以铁(Fe)、钴(Co)、硅(Si)、硼(B)、碳(C)等 元素依一定的配比合成,在高温熔化的条件下,经过高速旋轮使之成为合金箔。由于高速旋轮的作用和冷却时的温度骤降,使得这种工艺生产的合金箔的原子结构类似于玻璃那样的无规无序的排列,而没有通常金属合金所表征的晶体结构。故称其为“非晶态合金”,亦有根据其原子结构特征称之为“金属化玻璃(metglas)”。


      由于“非晶态合金”没有明显的晶格界面,无规的非晶态结构在磁场的作用下矫顽力很低,因而“磁滞损耗”明显减小。加上“非晶态合金”材料本身为箔带,厚度一般为0.003 mm,仅为普通硅钢片材料的十分之一,而且其电阻率较高,因此它是一种低损耗的软磁材料。


      我国对于“非晶态合金”的研究工作大约开始于1977年,通过近20年的努力,现在国内的冶金工业部北京钢铁研究总院和上海钢铁研究所都具有一定的“非晶态合金”箔带的生产能力,最大宽度约150~200 mm。国外亦 有厂商(ALLIEDSIGNAL)在国内投资生产加工基地,并可以根据设计要求提供绕制成型的开口或封闭式铁心。近10年来,国内的不少厂家采用“非晶态合金”铁心研制了10 kV级30~250 kVA油浸或环氧树脂绝缘的配电变压器及1 600 kVA的中频变压器,这些研制的产品目前大都已挂网运行。更有迹象表明:一些采用“非晶态合金”铁心的高压互感器也在研制或生产之中。采用“非晶态合金”铁心的电力设备目前大多没有完备的技术标准,它给我们的主要印象为“低能耗”,但是在使用中它的综合技术性能指标究竟如何?作为现场的工程技术人员,我们对采用“非晶态合金”铁心的电力设备与采用普通硅钢片铁心的电力设备的技术性能的差异应有所把握。


      2 “非晶态合金”材料的电磁和物理性能


      为了充分了解“非晶态合金”材料的电磁和物理性能与硅钢片的差异,表1列出了两类材料的性能比较。


      在同等磁通密度下,非晶态合金铁心的损耗仅为硅钢片铁心的四分之一,励磁功率约为硅钢片铁心的一半;电阻率为硅钢片铁心的3倍。另外,由于非晶态合金箔带的生产工艺过程比硅钢片的生产工艺过程减少了铸锭、初轧(开坯)、热轧、冷轧及其中间工序,使加工程序大为简化,据核算其整个工艺过程的能源消耗仅为硅钢片铁心生产过程的20%~ 25%。由此可见的经济效益和社会效益是极为可观的。


      然而,非晶态合金材料也有诸多的不足之处。如:作为铁心材料其工作磁密(1.4 T)小于硅钢片材料(1.76 T);叠片填充因数较小,一般为0.75~0.8 0,约为硅钢片材料的叠片填充因数(一般为0.95~0.97) 的84% ;材料厚度很薄,硬度高,脆性大,不便于加工;热稳定性能欠佳,若有局部过热,并超出 一定的范围,材料的导磁性能就会产生严重的恶化;除此之外,非晶态合金铁心必须在磁场 条件下采用惰性气体保护进行退火。


      3 影响非晶态合金材料铁心低损耗性能的工艺因素


      非晶态合金铁心的低损耗性能取决于生产工艺中的全过程,其中主要是内应力的消除是否完全。那么内应力是如何影响非晶态合金铁心的低损耗性能的呢?


      3.1 卷铁心弯曲半径的影响


      由于非晶态合金箔带的厚度非常薄,约为硅钢片材料的十分之一,正因为如此,非晶态合金材料十分便于制造卷铁心变压器。根据试制结果得到图1,由图可知,绕制的铁心直径越小,铁心的损耗就越大。据资料报道:在365 ℃下采用一定磁场条件对非晶态合金进行退火处理,非晶态合金铁心损耗性能可能恢复原来水平。


      

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      图1 不同绕制弯曲半径下的铁心损耗


      3.2 接缝方式对铁损的影响


      在制造卷铁心变压器时,可以采用直接在铁心上的线圈模架上绕制线圈;也可以采用“开口 卷铁心”,然后插入成型线圈。由于铁心套入线圈后便不能采用退火工艺,因此对制造较大 容量的变压器而言,采用“开口卷铁心”是较为实际的方式。


      图2表示了铁心不同的搭接方式对铁心损耗的影响程度。根据国外有关资料报道,当开口卷铁心经过退火,或者铁心尺寸较大时,套装线圈的装配操作对非晶合金铁心的损耗的影响可以忽略不计。但是根据国内的生产工艺及管理现状,对铁心开口后的损耗水平的变化未见报道。


      

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      图2 不同的接缝方式对开口卷铁心损耗的影响


      3.3 退火工艺


      由于制做非晶态合金铁心的材料是在急剧冷却的状态下制成箔带的,材料中仍然存在着细微的残余应力,采用退火方式可以消除这些残余应力,但是退火工艺要求采用氮气保护气氛,并以适当的温度以及沿箔带长度方向的足够的磁场强度。2605 Sc的退火温度推荐值为345 ℃;试验对比表明:退火温度低于345 ℃,铁损将增加25%。而退火时的磁场强度推荐值为2~8 A/cm,当磁场强度低于0.5 A/cm时,对铁损的降低效 果不够明显。


      3.4 外部应力的影响


      由上述涉及对铁损的影响程度来看,对于加工成卷的非晶态合金铁心,即使采用了各种消除内应力的措施后,产品的总装配所造成的应力,也难免会使铁心损耗上升。生产装配中的绑扎支撑,转运过程中及事故中的震动受力,都会使铁心损耗发生变化。铁心损耗的大小在变压器运行的过程中是判断设备运行状况的技术指标。由于损耗改变的随机性较大,对判断设备状态造成一定的困难。


      4 非晶态合金铁心变压器和硅钢片铁心变压器性能对比


      根据我国现有工艺生产的非晶态合金铁心变压器,随着变压器的容量不同,其性能比也会发生一定的变化。表2是非晶态合金铁心变压器和硅钢片铁心的变压器的性能对比。


      由表2可见,小容量变压器以非晶态合金铁心变压器性能为优,当容量增大 后,铁心变压器与硅钢片铁心的变压器的性能持平,非晶态合金铁心变压器在铁耗上节约的 幅度与其铜耗上超出硅钢片铁心的变压器的部分相抵。虽然未能得到相关的质量数据,但因 非晶态合金铁心的工作磁密低于硅钢片铁心的变压器,可以肯定的是:大容量非晶态合金铁 心变压器的质量和体积都会超过同容量的硅钢片铁心的变压器。


      因此,在评估非晶态合金铁心变压器时,要全面核算其经济效能比。在使用上还应更多地考虑设备运行的安全等级,全面地把握设备的安全状况。


      5 建议


      非晶态合金铁心变压器在铁心损耗上明显低于取向冷轧硅钢片,在节能降耗上具有可观的经济效益。但是,非晶态合金铁心的低损耗性能 受多种因素的影响,从现有的资料报道来看,对其没有全面地进行同等工艺水平下的经济效能评估,部分试验运行的产品,运行一年后,空载损耗变化达25%,这些情况是否具有普遍性,需要继续统计和观察。


      根据以往国内某些生产厂家的设计原则,最大磁通密度的选择是按照设备标称容量的80%~ 85%来选择的,因此设备的满负荷运行是工作在磁化曲线的非线性段。由于非晶合金铁心在 高温和过激磁的情况下,导磁性能会发生不可恢复的损坏,因此,对于那些导磁性能敏感的 电器设备,更应严格评价铁心过激磁的可能性。


      目前,非晶合金铁心的价位较高(40元/kg),为取向硅钢片的4倍,全面评估非晶合金铁心变压器(互感器)的经济性能和安全效能是十分必要的。


      参考文献


      [1] IEEE CH2133-7/85/0000-0205,Evaluation of Electrical Insulation Exposed to Amorphous Metal Transformer Core Annealing Temperature[S]


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    时间:2011年06月15日 10:25:32 来源:中国论文网 作者: 上一篇:多层平面高频变压器的频率特性 下一篇:110 kV分级绝缘变压器中性点过电压保护探讨  (电脑版  手机版)
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