Orienterede siliciumstål påvirkning af transformer effektivitet & støj

1. Udviklingsmønstre for produktionsteknologi af strømtransformatorer i Kina

Strømtransformatorer udvikler sig primært i to retninger:

Først og fremmest er der en udvikling mod ekstra store ultra-højspændings-transformatorer, med spændingsniveauer, der bevæger sig fra 220kV, 330kV og 500kV hen imod 750kV og 1000kV.

Anden retning er udviklingen mod energibesparende, kompakte, lavstøj, højimpedans- og eksplosionsbeskyttede typer. Disse produkter er hovedsageligt små og mellemstore transformatorer, som de nye S13 og S15 distributions-transformatorer, der anbefales til opgradering af by- og landdistrikts elektriske netværk.

Kinas fremtidige retning for transformatorudvikling vil fortsat fokusere på energieffektivitet, lav støj, brand- og eksplosionsbeskyttelse samt høj pålidelighed.

2. Indflydelsen af orienteret siliciumstålmaterialer på ydeevnen af strømtransformatorer

I udviklede industrielle lande udgør den elektriske energi, der bruges pga. jerntab i transformatororienteret siliciumstål, cirka 4% af det samlede elforsyning. Derfor har reduktion af jerntab i orienteret siliciumstål altid været et vigtigt forskningsområde for siliciumstål-virksomheder verden over. Jerntab kan deles ind i virvelstrømstab og hysteresetab.

Angående siliciumstålmaterialer er de vigtigste metoder til at reducere jerntab i orienteret siliciumstål at øge siliciumindholdet, reducere pladetykkelsen og anvende magnetisk domænefinere teknologi.

(1) Øgning af siliciumindholdet

I øjeblikket indeholder industriel produceret siliciumstål mere end 3,0% silicium ved masse. Når dette øges til 6,5%, falder siliciumstål-tab betydeligt, gør det til det optimale materiale til brug i frekvensområdet 400Hz til 10kHz.

(2) Reduktion af pladetykkelse

De orienterede siliciumstålplader, der anvendes i dag, bliver stadig tyndere. Tykkelsen på 0,35mm er blevet udfaset, og de almindelige tykkelsesværdier nu er 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm og 0,18mm, hvilket kan reducere virvelstrømstab i orienteret siliciumstål.

• 0,20mm orienteret siliciumstålplade kan anvendes ved 400Hz eller under, med magnetisk fluxtæthed, der når 1,5T, og relativt lavt jerntab.

• 0,15mm orienteret siliciumstålplade, der opererer ved 1kHz frekvens med magnetisk fluxtæthed på 1,0T, har et jerntab på under 30W/kg. Derfor er denne specifikation af plade egnet til brug ved 1kHz eller under.

• 0,10mm og 0,08mm orienteret siliciumstålplader er mere kvalificerede til brug ved frekvenser under 3kHz. Ved 3kHz frekvens anvendes 0,10mm orienteret siliciumstålplade med en magnetisk fluxtæthed på omkring 0,50T. Under samme betingelser kan 0,08mm specifikation anvende en let højere magnetisk fluxtæthedsværdi, såsom 0,50-0,80T.

• 0,05mm orienteret siliciumstålplade, der opererer ved 5kHz frekvens, kan have en magnetisk fluxtæthedsværdi på 0,5-0,6T. Derfor har 0,05mm orienteret siliciumstålplade den bredeste anvendelsesområde blandt de fem omtalte specifikationer og er egnet til brug ved 5kHz og under.

(3) Magnetisk domænefinere

Grove teknologi: Japan's Narita rapporterede effekten af grove på domænestruktur og tab i orienteret siliciumstål, og pegede på, at grove vinkelret på pladen kan effektivt reducere domænevægtykkelse og virvelstrømstab.

Laserbehandlings teknologi benytter karakteristika af hurtig opvarmning og køling til at behandle overfladen af orienteret siliciumstålplader gennem linje marking, hvilket fremmer mikroplastisk deformation og høj tæthed af dislokationer i det opvarmede område, reducerer længden af hoveddomænevæg, mens det samtidig producerer resterende trækspænding, der opnår formålet med at finere magnetiske domæner og reducere jerntab.

Der findes to laserbehandlingsmetoder: pulserende og kontinuerlig laserbehandling.

3. Indflydelsen af orienteret siliciumstålsoverflade på transformatorstøj

En af de hovedårsager til transformatorstøj er magnetostriction af orienteret siliciumstålkerne.

Magnetostriction refererer til ændringen i længden af ferromagnetisk materiale under magnetisering. Magnetostriction af orienteret siliciumstål er stærkt relateret til, om der er en overfladeisolationsbelægning. Spændingen fra belægningen på siliciumstålplader kan neutralisere trykspændinger genereret af materialerne og transformatormontage, hvilket reducerer transformatorstøj. Udbelagt stålplader er meget følsomme over for trykspændinger. Når trykket stiger, stiger magnetostriction-værdien skarpt, mens belægnede plader viser mindre markant stigning i magnetostriction-værdi med øget trykspænding, hvilket indikerer lavere følsomhed over for trykspændinger.

Det er ønskeligt, at orienteret siliciumstål har lav magnetostriction for at reducere dets følsomhed over for spændinger, og samtidig reducere støj. Da spændinger genereres under montering af transformatorkerne, er det nødvendigt at reducere materialets følsomhed over for spændinger. Pga. belægningen reduceres orienteret siliciumstål's følsomhed over for spændinger under magnetostriction, og transformatorstøj reduceres også.

Desuden har anvendelse af isoleringsbelægning på orienteret siliciumstål generelt effekten af at reducere specifikt tab, ved at reducere jerntab med 9%-14%. Kvaliteten af isoleringsbelægningen bør helst være over 5g/m².

4. Indflydelsen af højkredsløbsorienteret siliciumstål på tomgangstab og støjniveau af strømtransformatorer

Følgende er fordelene ved Hi-B højpermeabel orienteret siliciumstål:

(1) Udmærkede Magnetiseringsegenskaber

Magnetiseringsegenskaber måles typisk ved magnetisk fluxtæthed på 800A/m for at vurdere deres kvalitet. Hi-B højpermeabel orienteret siliciumstål har en relativ permeabilitet på ca. 1920 ved 800A/m, mens CGO stål er 1820. Ved at bruge Hi-B højpermeabel orienteret siliciumstål som kerne materiale til at reducere tomgangstab er det mest effektivt for energibesparelse.

(2) Lav Magnetostriccititet

Magnetostriccititet refererer til længdeudvidelse og -kontraktion af kernen i magnetiseringsretningen under AC-magnetisering, hvilket er en af de primære årsager til transformerstøj. Da Hi-B højpermeabel orienteret siliciumstål har lav magnetostriccititet, reducerer det betydeligt transformerstøj og miljøforurening.

5. Indflydelse af Strømtransformerkernens Bearbejdningsteknologi

Under produktion og bearbejdning udsættes orienteret siliciumstål for klippespanning og manuelle håndteringseffekter. Mekanisk bearbejdning og eksterne forringelsesfaktorer påvirker betydeligt den specifikke tab for siliciumstålplader, nogle gange med en øgning på 3,08%-31,6%.

Børster fra longitudinale klip af orienteret siliciumstål: Hvis klippekvaliteten er dårlig med store dimensionelle afvigelser, vil det når kernen samles, føre til store huller mellem plader, mange overlapninger og ulige kernelag, hvilket resulterer i øget tomgangsstrøm, nogle gange over standard. Efter børster fjernes, falder den specifikke tab. Test viser, at efter børster er fjernet fra 30QG120, falder den specifikke tab P1.5 med 2,1%-2,6% (gennemsnit 2,3%), og P1.7 falder med 1,6%-3,5% (gennemsnit 2,5%).

Forbedring af klippekvaliteten af orienteret siliciumstål, reduktion af børster, samt forbedring af flathed, og anvendelse af passende klemmekraft på kernestøjler. Feedback fra transformervirksomheder indikerer, at reduktion af børster med 0,02mm reducerer total lagt tykkelse (ved klemmepladser) med 2-3mm, og støj reduceres med 3-4dB. Derfor skal børster kontrolleres inden for 0,03mm.

Orienteret siliciumstål skal gennemgå klipning, stampning og samling, hvilket genererer interne spændinger, der fører til kornerdeformation, hvilket resulterer i reduceret magnetisk permeabilitet og øget specifik jernstab. Spændingerne, der opstår i orienteret siliciumstål under klipning, stampning, samling og andre bearbejdningsoperationer, kan reduceres ved annealing behandling, hvilket kan reducere den specifikke jernstab af kuldeformet orienteret siliciumstål med ca. 30%.