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不同环境温度对取向硅钢磁性能的影响

发布时间: 2018-12-03来源:黑龙江电力 刘涛等


取向硅钢在不同环境温度下的磁性能研究有助于更深入地了解材料及变压器产品的在运行工况条件下的性能,也为电磁仿真计算提供更接近产品实际运行工况的材料磁性能数据,从而有助于变压器产品的设计及优化。

电力变压器变压器运行时会有温升,铁心会在较高温度条件下长期运行。根据国家标准,电力变压器正常使用条件中规定的最高环境温度是+40℃,油浸式变压器铁心的最高温升是80K,这表明变压器铁心可能会在最高为120℃的环境温度下长期运行。而硅钢片生产商提供的取向硅钢材料磁性能样本数据通常是在测量标准规定的温度条件下测量得到。在不同环境温度下的取向硅钢磁性能会有差异,用在标准温度下测量得到的材料磁性能数据去做变压器产品设计及电磁仿真可能会带来有一定误差。

材料性能并不能完全代表变压器的铁心性能,材料及铁心在不同环境温度下的磁性能变化趋势可能会有差异。综合考虑了温度对取向硅钢材料及变压器铁心磁性能的影响,分别从材料及产品模型两个方面开展了实验研究。将用于测量取向硅钢材料磁性能的爱泼斯坦方圈,及基于变压器铁心产品实际结构设计制作的产品级铁心模型,分别置于温控实验箱中,在环境温度25℃ , 50℃,75℃,105℃条件下,分别测量得到取向硅钢材料及铁心模型的磁性能。并分析不同环境温度下取向硅钢的磁性能变化规律,以使在仿真建模计算中所使用的磁化曲线和损耗曲线更加接近变压器铁心的实际运行状态,为电力变压器仿真计算及进一步的优化设计提供参考依据。

实验研究方法

为了系统研究取向硅钢在不同环境温度下的磁性能表现,分别从材料及产品模型两个方面开展了实验研究。

选取了宝钢B27R095取向硅钢材料为研究对象。首先,利用爱泼斯坦方圈磁性测量系统(制造商:湖南同电)对不同环境温度条件下材料磁性能进行测试。将剪切好的标准爱泼斯坦方圈测试样片(30样片斯坦方圈,共48片)放入方圈测试系统并固定后,将方圈放入温控实验箱中,分别调节环境温度至25℃,50℃,75℃,105℃,为保证测量时的材料温度与设定的环境温度相同,在每个环境温度下,达到该环境温度后,需保持该温度至少2h以上才能展开测试。并且,为了保证测量数据的有效性,需连续测试三次且三次测试之间的测量误差在1%以内。然后,以采用同样的B27R095取向硅钢材料,基于变压器铁心实际结构设计制作的产品级铁心模型为实验对象,研究环境温度对变压器铁心磁性能的影响。该铁心模型几何尺寸如图2所示,主要设计参数见表1。

表1 铁心模型设计参数

 

铁心模型放入温控实验箱中,分别调节环境温度至25℃ ,50℃,75℃ ,105℃。同样,为保证测量时的材料温度与设定的环境温度相同,在每个环境温度下,达到该环境温度后,需保持该温度至少2h以上才能展开测试。图3为铁心模型在温控实验箱中。

实验结果及分析

材料测试实验结果

表2为在环境温度25℃ , 50℃ , 75℃ ,105℃条件下测量得到取向硅钢材料损耗数据。

表2 损耗数据

     图1为B27R095在四种等级温度下的损耗曲线。


图1 不同等级温度下的损耗曲线

表3为在环温50℃,75℃,105℃时分别相对25℃时的损耗差百分比。

表3 损耗差百分比 

从B27R095取向硅钢材料在不同温度下的损耗数据及曲线可以看出,在任意固定的磁密点,随着温度的变化而变化,随着温度的升高,损耗逐渐降低,损耗性能变好。

表4为B27R095取向硅钢在环境温度25℃、50℃ ,75℃,105℃的磁化性能数据。

  表4 磁化性能数据 

图2为B27R095取向硅钢材料在不同环境温度下的磁化曲线。


 

图2 不同等级温度下磁化曲线

从B27R095取向硅钢在不同温度下的磁化性能数据及曲线可以看出,在Bm≤1.2T时,随着温度的升高,达到任意工作磁密所需Hm有一定程度减小,但幅度不大。在Bm≥1.3T时,随着温度的升高,达到任意工作磁密所需Hm增加,磁密越大,Hm增加的幅度越大。基于1.7T工作点的考虑,随着温度的升高,其磁化性能逐渐变差。 


模型测试实验结果

表5为分别在环境温度25℃ , 50℃ , 75℃、105℃时测量得到的铁心模型损耗数据。


表5 铁心模型(B27R095)损耗数据

     图3为在四种等级温度下的损耗曲线。


图3不同环境温度下的铁心损耗曲线

 

表6为在环温50℃ ,75℃,105℃时分别相对25℃时的损耗差百分比。

  

表6 损耗差百分比

 

从不同温度下的损耗数据及曲线可以看出,在任意固定的磁密点,随着温度的升高,铁心模型损耗逐渐降低。因此,在温度逐渐升高时,铁心模型的损耗性能变好。

表7为铁心模型在环境温度25℃ , 50℃、75℃ ,105℃的磁化性能数据。 


表7磁化性能数据

 

     图4为铁心模型在不同环境温度下的磁化曲线。

图4铁心模型在四种等级温度下的磁化曲线

 从铁心模型在不同温度下的磁化性能数据及曲线可以看出,在Bm≤1.2 T时,随着温度升高,达到任意工作磁密所需Hm有一定程度减小,但幅度不大。在Bm≥1.3T时,随着温度的升高,达到任意工作磁密所需Hm增加,磁密越大,Hm增加的幅度越大。基于1.7T工作点的考虑,随着温度的升高,其磁化性能逐渐变差。

结论与展望

通过对不同环境温度下取向硅钢材料及铁心模型磁性能实验数据的比较分析,得到以下结论:

取向硅钢材料及铁心模型损耗性能随温度变化有相同的变化趋势,在相同的工作磁密条件下,随着环境温度的升高,损耗逐渐降低。因此,当环境温度升高,铁心模型的损耗性能变好。

取向硅钢材料及铁心模型磁化性能随温度变化也有相同的变化趋势,当工作磁密大于1.2 T时,随着环境温度的升高,铁心模型的磁化性能逐渐变差。

展望

取向硅钢在不同环境温度下的磁性能研究有助于更深入地了解材料及变压器产品的在运行工况条件下的性能,也为电磁仿真计算提供更接近产品实际运行工况的材料磁性能数据,从而有助于变压器产品的设计及优化。

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