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取向硅钢材料特性及对变压器铁心损耗和噪音的影响

发布时间: 2018-08-08来源:内燃机与配件

本文简述了取向硅钢片特点及对变压器铁心损耗和噪音的影响,并根据取向硅钢片材料特性,论述了降低变压器铁心损耗和噪音的主要措施。


1概述

取向硅钢是电力工业中不可或缺的软磁功能材料,具备高磁感、低铁损特性,是制造变压器铁心的主要原材料。由于它生产工艺复杂、制造技术严格和影响因素众多,被誉为钢铁中的艺术品。随着我国电力建设加速,变压器装机量高速提升。近十年我国居民生活水平提高,城市用电量需求不断加大。一些大型变电站逐步建造于市区内,许多中小型变压器必须安装于小区附近建筑中。变压器的铁心损耗和噪音成为行业关注焦点。


2取向硅钢片材料特性

取向硅钢片的优异磁特性是指在轧制方向具备极易磁化和高饱和磁感应强度。工业上对其性能的要求包括产品铁损、磁感、冲片性、绝缘性和板形等。

①铁损指铁心在交变磁场下磁化消耗的无效电能。这种由于磁通变化受到阻碍而消耗的能量通过铁心发热散去,浪费电能的并引起工作环境温升。硅钢片铁损主要由磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和反常损耗Pa三部分组成。

②磁感是材料工作时单位截面积的磁通密度,代表能被磁化的能力。行业内以产品50Hz、场强800A/m下磁感值B800/50作为磁感强度保证值。B800/50≥1.88T的称之为高磁感取向硅钢,小于该值的为一般取向钢。

③冲片性:硅钢片加工过程中承受较大冲剪工作量,必须具有良好冲片性。冲片性好可以提高剪刃使用寿命和工作精度,减少毛刺。此外,控制产品表面光滑平整、较小厚度偏差、并具备优良的绝缘性能也是合格产品的条件。优异的产品表面质量和板形能提高叠片系数,使得铁心叠片时空气隙减小,有效空间占比增多。通常叠片系数每增加1%,铁损减少2~3%且磁感增加1%。


3降低铁心损耗和噪音的措施

变压器工作时铁心损耗就是硅钢片材料叠片后的损耗,而本体噪音主要由铁心、绕组和箱体噪音组成。铁损和工作噪音的降低很大程度上依赖于硅钢片材料性能提升和设计改进。从取向硅钢片材料特性角度分析,改善变压器铁心损耗和噪音的主要措施如下:


3.1铁心损耗的降低

设计工艺一定时取向硅钢片铁损基本决定了变压器铁心损耗。变压器制作完后进行空载损耗实验,空载损耗与硅钢片铁损关系如公式(1)所述:P0=p0·G·K(1)其中P0为变压器空载损耗,p0为硅钢片铁损,G为铁心重量,K为变压器制造工艺系数。根据公式(1),制造工艺系数一定时,如果要降低变压器产品空载损耗,可以采用较低p0的高牌号硅钢片作为铁心原材料,或者在变压器要求等级条件下减少铁心重量。各硅钢生产企业总是千方百计降低铁损,其中净化钢质和磁畴细化技术能够降低硅钢片的Ph,而钢片厚度降低能显著降低Pe,铁损P17/50总体下降。薄规格厚度方面,我国的宝钢、武钢已有0.20mm规格以下冷轧取向硅钢产品投入市场。提高磁感也是目标,B800/50越高则设计Bm可提高,减小了铁心截面积,铁心体积与重量降低。这样钢板、导线、绝缘材料以及结构材料用量大幅减少,降低总损耗和制造成本,并且利于变压器的制造、安装和运输总体成本降低。


3.2铁心噪音的降低

在铁心材料和设计工艺角方面,铁心噪音由取向硅钢叠片工作时振动产生。叠片工作振动主要来源是:


3.2.1取向硅钢片的磁滞伸缩特性

磁致伸缩指得是变压器铁心励磁时,其组成材料取向硅钢片沿磁力线方向尺寸增加、垂直该方向的尺寸缩小的现象。该过程使得铁心整体随励磁频率变化作周期性振动,并且振动通过内部结构传递给油箱,引起箱体振动对外传递噪音。采用具有较低磁致伸缩的取向硅钢片是降低变压器铁心噪声最根本有效的方法。磁致伸缩大小主要取决于励磁时硅钢片晶粒受磁微变化和磁畴特点。高斯织构取向度高的晶粒则磁畴转换容易,磁致伸缩则越低。

高磁感取向硅钢片具有1.88T以上磁感,其成品晶粒角度差一般不大于3%,所以磁致伸缩值较小。日本首先采用激光照射钢带表面沟槽应力显著改善产品磁畴结构,产品铁损降低的同时磁致伸缩也减小。此外,优异质量的张力绝缘涂层、提高钢片板形也是获得低磁滞伸缩钢片的方法。


3.2.2叠片工艺引起的铁心振动

变压器的叠铁心工艺先将钢卷依次纵剪和横剪加工成一定形状,然后再将钢片拼搭成平面。每个平面由多张硅钢片组成,其中存在接缝。接隙不可避免地降低了叠片系数并造成了磁路磁阻的增加,从而产生漏磁。叠片之间由于电磁方向变化会产生电磁吸引力引起铁心振动。随着设计制造技术提升,铁心叠积方式更科学,叠片工艺引起的铁心振动明显降低。


4结语

当前电力行业建设更注重节能环保。未来大、中小型变压器的应用将更加普遍化,行业将会在以低损耗和低噪音为重点继续发展。因此,硅钢生产行业必须重视用户的需求,提高质量水平满足未来轻量、高效和环保的变压器发展。


来源:《内燃机与配件》付婷

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