Ориентирана силицидна стомана и нейното влияние върху ефективността и шума на трансформаторите

1. Тенденции в развитието на технологията за производство на трансформатори в Китай

Трансформаторите се развиват основно в две направления:

Първо, развитие към извънредно големи трансформатори с ултра-високо напрежение, с нивата на напрежението, които се развива от 220кВ, 330кВ и 500кВ към 750кВ и 1000кВ.

Второ, развитие към енергоспестяващи, миниатюрни, с нисък шум, висок импеданс и взривобезопасни типове. Тези продукти са главно малки и средни трансформатори, като новите S13 и S15 разпределителни трансформатори, които се препоръчват в момента за модернизацията на градските и селските електрически мрежи.

Бъдещото развитие на трансформаторите в Китай ще продължи да се фокусира върху енергоспестяващи, с нисък шум, огне- и взривобезопасни типове, както и висока надеждност.

2. Влияние на ориентираната силицидна стомана върху производителността на трансформаторите

В развитите индустриални страни, електроенергията, консумирана поради железен загуби в ориентираната силицидна стомана за трансформатори, представлява приблизително 4% от общата произведена енергия. Затова намаляването на железените загуби в ориентираната силицидна стомана винаги е било важна тема за изследвания за силицидните предприятия по целия свят. Железените загуби могат да бъдат разложени на завихрящо загуби и хистерезис загуби.

По отношение на материалите от силицидна стомана, основните методи за намаляване на железените загуби в ориентираната силицидна стомана включват увеличаване на съдържанието на силиций, намаляване на дебелината на листа и технологията за префиниране на магнитни домейни.

(1) Увеличаване на съдържанието на силиций

В момента, промишлено произвежданата силицидна стомана съдържа над 3,0% силиций по маса. Ако се увеличи до 6,5%, загубите от силицидна стомана значително намаляват, правейки я оптимален материал за използване в честотен диапазон от 400Hz до 10kHz.

(2) Намаляване на дебелината на листа

Използваната в момента ориентирана силицидна стомана става все по-тънка. Дебелината 0,35mm вече е изфазирана, обичайните дебелини сега са 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm и 0,18mm, което може да намали завихрящите загуби в ориентираната силицидна стомана.

• Ориентирана силицидна стомана с дебелина 0,20mm може да се използва при 400Hz или по-ниско, с магнитна плътност, достигаща 1,5T, и относително ниски железени загуби.

• Ориентирана силицидна стомана с дебелина 0,15mm, работеща при честота 1kHz с магнитна плътност 1,0T, има стойност на железените загуби под 30W/kg. Следователно, този стандарт на тънки ленти е подходящ за използване при 1kHz или по-ниско.

• Ориентирана силицидна стомана с дебелина 0,10mm и 0,08mm е по-подходяща за използване при честоти под 3kHz. При честота 3kHz, ориентирана силицидна стомана с дебелина 0,10mm се използва с магнитна плътност около 0,50T. Под същите условия, спецификацията 0,08mm може да използва леко по-високи стойности на магнитната плътност, като 0,50-0,80T.

• Ориентирана силицидна стомана с дебелина 0,05mm, работеща при честота 5kHz, може да има стойност на магнитната плътност 0,5-0,6T. Следователно, ориентирана силицидна стомана с дебелина 0,05mm има най-широкия обхват от петте споменати стандарта и е подходяща за използване при 5kHz и по-ниско.

(3) Префиниране на магнитни домейни

Технологията за резане: Японецът Нарита докладва за влиянието на резането върху структурата на домейните и загубите в ориентираната силицидна стомана, сочейки, че резането перпендикулярно на посоката на лентата може ефективно да намали разстоянието между стените на домейните и завихрящите загуби.

Лазерната обработка използва характеристиките на бързо затопляне и охлаждане, за да обработи повърхността на ориентираната силицидна стомана чрез маркировка, насърчавайки микропластично деформиране и висока плътност на дислокациите в затоплената област, намалявайки дължината на главната стена на домейните, и същевременно произвеждайки остатъчен тензионен стрес, постигайки целта за префиниране на магнитните домейни и намаляване на железените загуби.

Има два метода за лазерна обработка: пулсираща и непрекъсната лазерна обработка.

3. Влияние на повърхността на ориентираната силицидна стомана върху шума на трансформаторите

Една от основните причини за шума на трансформаторите е магнитострикцията на ядрата от ориентирана силицидна стомана.

Магнитострикцията се отнася до промяната в дължината на феромагнитния материал при намагничаване. Магнитострикцията на ориентираната силицидна стомана е силно свързана с наличието на изолационно покритие. Тензията от покритието върху силицидните листове може да противодейства на компресионните напрежения, генерирани от материала и сборката на трансформатора, следователно намалявайки шума на трансформатора. Неизолираните листове са много чувствителни към компресионните напрежения. С увеличаването на налягането, стойността на магнитострикцията се увеличава рязко, докато покритите листове показват по-малко значително увеличение на стойността на магнитострикцията с увеличаването на компресионните напрежения, което показва по-ниска чувствителност към компресионните напрежения.

Желателно е ориентираната силицидна стомана да има ниска магнитострикция, за да намали чувствителността си към напреженията, както и да намали шума. Тъй като напрежението се генерира при сборката на ядрото на трансформатора, е необходимо да се намали чувствителността на материала към напреженията. Благодарение на покритието, чувствителността на ориентираната силицидна стомана към напреженията при магнитострикцията се намалява, и шумът на трансформатора също се намалява.

Освен това, прилагането на изолационно покритие върху ориентираната силицидна стомана обикновено все още има ефекта да намали конкретните загуби, намалявайки железените загуби с 9%-14%. Качеството на изолационното покритие трябва да е над 5g/m².

4. Влияние на високопроникливата ориентирана силицидна стомана върху безнагласните загуби и нивото на шума на трансформаторите

Преимуществата на високопроникновения ориентиран кремикови желязо Hi-B са следните:

(1) Отлични магнитни характеристики

Магнитните характеристики обикновено се измерват чрез магнитна плътност при 800A/m за оценка на качеството им. Високопроникновеният ориентиран кремикови желязо Hi-B има относителна проницаемост от около 1920 при 800A/m, докато CGO стоманата е 1820. Използването на високопроникновен ориентиран кремикови желязо Hi-B като материал за ядрото за намаляване на безнагласната загуба е най-ефективно за спестяване на енергия.

(2) Ниско магнетострикции

Магнетострикцията се отнася до удължаване и свиване на ядрото в посоката на магнитизацията при алтернативна магнитизация, което е една от основните причини за шума на трансформаторите. Тъй като високопроникновеният ориентиран кремикови желязо Hi-B има ниска магнетострикция, той значително намалява шума на трансформаторите и замърсяването на околната среда.

5. Влияние на технологията за обработка на ядрото на силовите трансформатори

По време на производството и обработката ориентираните кремикови желязени листове са подложени на странични напрежения и механични въздействия. Механичната обработка и външните фактори за влошаване значително влияят върху специфичната загуба на кремикови желязени листове, понякога увеличавайки специфичната загуба с 3,08% - 31,6%.

Забрадви от продълговита резба на ориентираните кремикови желязени листове: Ако качеството на рязането е слабо с големи отклонения в размерите, при стопанстване на ядрото ще създаде големи разстояния между листовете, много наслаивания и неравномерни ядра, което води до увеличаване на безнагласния ток, понякога над нормата. След премахването на забрадвите специфичната загуба намалява. Тестовете показват, че след премахването на забрадвите 30QG120 специфичната загуба P1.5 намалява с 2,1% - 2,6% (средно 2,3%), а P1.7 с 1,6% - 3,5% (средно 2,5%).

Подобряването на качеството на рязането на ориентираните кремикови желязени листове, намаляването на забрадвите, както и подобряването на равнинността, и прилагането на подходяща зажимна сила към колоните на ядрото. Фидбек от производители на трансформатори показва, че намаляването на забрадвите с 0,02 мм намалява общата стопанствана дебелина (в точките на зажимане) с 2-3 мм, а шумът намалява с 3-4 dB. Затова забрадвите трябва да бъдат контролирани в рамките на 0,03 мм.

Ориентираните кремикови желязени листове трябва да бъдат подложени на рязане, пробиване и стопанстване, което генерира вътрешни напрежения, причиняващи деформация на зърната, което води до намаляване на магнитната проницаемост и увеличаване на специфичната железна загуба. Напреженията, генерирани в ориентираните кремикови желязени листове по време на рязане, пробиване, стопанстване и други операции, могат да бъдат намалени чрез термична обработка, която може да намали специфичната железна загуба на хладнокатаните ориентирани кремикови желязени листове с приблизително 30%.