Wpływ Skierowanej Stali Żelaznej na Wydajność i Hałas Transformatora

1. Kierunki rozwoju technologii produkcji transformatorów energetycznych w Chinach

Transformatory energetyczne rozwijają się głównie w dwóch kierunkach:

Pierwszy, rozwój w kierunku nadmiernie dużych transformatorów o napięciu ultra-wysokiej napięcia, z poziomem napięcia awansującym od 220kV, 330kV i 500kV do 750kV i 1000kV.

Drugi, rozwój w kierunku oszczędzania energii, miniaturyzacji, niskiego hałasu, wysokiego oporu i odporności na wybuchy. Te produkty są głównie małe i średnie transformatory, takie jak nowe transformatory dystrybucyjne S13 i S15 obecnie zalecane do modernizacji sieci energetycznych miejskich i wiejskich.

Przyszły kierunek rozwoju transformatorów w Chinach nadal będzie skupiać się na oszczędzaniu energii, niskim hałasie, odporności na pożary i wybuchy oraz wysokiej niezawodności.

2. Wpływ materiału żelaza krystalicznego na wydajność transformatora energetycznego

W rozwiniętych krajach przemysłowych energia elektryczna zużywana przez straty żelazowe w żelazie krystalicznym przeznaczonym dla transformatorów stanowi około 4% całkowitej produkcji energii. Dlatego zmniejszenie strat żelazowych w żelazie krystalicznym jest zawsze ważnym tematem badań dla przedsiębiorstw produkujących żelazo krystaliczne na całym świecie. Straty żelazowe można podzielić na straty wirnikowe i straty hysterezy.

W przypadku materiału żelaza krystalicznego, główne metody zmniejszenia strat żelazowych w żelazie krystalicznym to zwiększenie zawartości krzemu, zmniejszenie grubości taśmy i technologia drobienia domen magnetycznych.

(1) Zwiększenie zawartości krzemu

Obecnie produkowane przemysłowo żelazo krystaliczne zawiera ponad 3,0% krzemu. Gdy zawartość krzemu wzrośnie do 6,5%, straty w żelazie krystalicznym znacząco spadną, co czyni go optymalnym materiałem do użytku w zakresie częstotliwości od 400Hz do 10kHz.

(2) Zmniejszenie grubości taśmy

Obecnie używane żelazo krystaliczne staje się coraz cieńsze. Grubość 0,35mm została wycofana, a powszechnie stosowane grubości to teraz 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm i 0,18mm, co może zmniejszyć straty wirnikowe w żelazie krystalicznym.

• Cienka taśma żelaza krystalicznego o grubości 0,20mm może być używana przy częstotliwości 400Hz lub niższej, z gęstością strumienia magnetycznego wynoszącą 1,5T i relatywnie niskimi stratami żelazowymi.

• Cienka taśma żelaza krystalicznego o grubości 0,15mm, działając przy częstotliwości 1kHz z gęstością strumienia magnetycznego 1,0T, ma wartość strat żelazowych mniejszą niż 30W/kg. Dlatego ten rodzaj cienkiej taśmy jest odpowiedni do użycia przy częstotliwości 1kHz lub niższej.

• Cienkie taśmy żelaza krystalicznego o grubości 0,10mm i 0,08mm są bardziej odpowiednie do użycia przy częstotliwości poniżej 3kHz. Przy częstotliwości 3kHz, cienka taśma żelaza krystalicznego o grubości 0,10mm jest używana z gęstością strumienia magnetycznego około 0,50T. W tych samych warunkach, specyfikacja 0,08mm może używać nieco wyższych wartości gęstości strumienia magnetycznego, takich jak 0,50-0,80T.

• Cienka taśma żelaza krystalicznego o grubości 0,05mm, działając przy częstotliwości 5kHz, może mieć wartość gęstości strumienia magnetycznego 0,5-0,6T. Dlatego cienka taśma żelaza krystalicznego o grubości 0,05mm ma najszerszy zakres zastosowań spośród pięciu wymienionych specyfikacji i jest odpowiednia do użycia przy częstotliwości 5kHz i niższej.

(3) Drobienie domen magnetycznych

Technologia rowkowania: Japoński Narita zgłosił wpływ rowkowania na strukturę domen i straty w żelazie krystalicznym, wskazując, że rowkowanie prostopadłe do kierunku taśmy może efektywnie zmniejszyć odległość między ścianami domen i straty wirnikowe.

Technologia obróbki laserowej wykorzystuje cechy szybkiego ogrzewania i chłodzenia, aby poprzez nanoszenie linii na powierzchnię taśmy żelaza krystalicznego promować mikroplastyczne deformacje i wysokogęstościowe dyslokacje w nagrzanym obszarze, zmniejszając długość głównych ścian domen, jednocześnie generując pozostałe naprężenia rozciągające, osiągając cel drobienia domen magnetycznych i zmniejszania strat żelazowych.

Istnieją dwie metody obróbki laserowej: impulsowa i ciągła.

3. Wpływ powierzchni żelaza krystalicznego na hałas transformatora

Jednym z głównych powodów hałasu transformatora jest magnetostriccja rdzeni żelaza krystalicznego.

Magnetostriccja oznacza zmianę długości materiału ferromagnetycznego podczas namagnesowywania. Magnetostriccja żelaza krystalicznego jest silnie związana z obecnością powłoki izolacyjnej na powierzchni. Napięcie powstające z powłoki na taśmie żelaza krystalicznego może przeciwstawić się naprężeniom sprężystym generowanym przez materiał i montaż transformatora, co prowadzi do zmniejszenia hałasu transformatora. Niepokryte taśmy są bardzo wrażliwe na naprężenia sprężyste. Gdy ciśnienie zwiększa się, wartość magnetostriccji rośnie gwałtownie, podczas gdy pokryte taśmy mają mniej znaczące zwiększenie wartości magnetostriccji przy zwiększonym naprężeniu sprężystym, co wskazuje na niższą wrażliwość na naprężenia sprężyste.

Żądane jest, aby żelazo krystaliczne miało niską magnetostriccję, aby zmniejszyć jego wrażliwość na naprężenia, a także obniżyć hałas. Ponieważ naprężenia powstają podczas montażu rdzenia transformatora, konieczne jest zmniejszenie wrażliwości materiału na naprężenia. Dzięki powłocie, wrażliwość żelaza krystalicznego na naprężenia podczas magnetostriccji jest zmniejszona, a hałas transformatora również jest obniżony.

Dodatkowo, nakładanie powłoki izolacyjnej na żelazo krystaliczne ogólnie ma efekt zmniejszania strat specyficznych, zmniejszając straty żelazowe o 9%-14%. Jakość powłoki izolacyjnej powinna być preferowana powyżej 5g/m².

4. Wpływ żelaza krystalicznego o wysokiej przenikalności na straty bezobciążeniowe i poziom hałasu transformatorów energetycznych

Zalety wysokopermeabilnej skierowanej stali silikatowej Hi-B są następujące:

(1) Wyjątkowe Właściwości Magnetyzacji

Właściwości magnetyzacji są zazwyczaj mierzone gęstością strumienia magnetycznego przy 800A/m w celu oceny ich jakości. Wysokopermeabilna skierowana stal silikatowa Hi-B ma względną przenikalność magnetyczną około 1920 przy 800A/m, podczas gdy stal CGO wynosi 1820. Użycie wysokopermeabilnej skierowanej stali silikatowej Hi-B jako materiału rdzenia do zmniejszenia strat bezobciążeniowych jest najskuteczniejsze dla oszczędzania energii.

(2) Niska Magnetostrykcja

Magnetostrykcja odnosi się do rozszerzania i kurczenia się długości rdzenia w kierunku magnetyzacji podczas magnetyzacji przemienną, co jest jednym z głównych powodów hałasu transformatora. Ponieważ wysokopermeabilna skierowana stal silikatowa Hi-B ma niską magnetostrykcję, znacznie zmniejsza ona hałas transformatora i zanieczyszczenie środowiska.

5. Wpływ Technologii Przetwarzania Rdzenia Transformatora Energetycznego

Podczas produkcji i przetwarzania, skierowana stal silikatowa podlega naprężeniom ścinającym i wpływom ręcznego obsługiwania. Mechaniczne przetwarzanie i czynniki zewnętrzne znacznie wpływają na specyficzne straty blach silikatowych, czasami zwiększając je o 3,08%-31,6%.

Szczotki powstające w wyniku pocięcia skierowanej stali silikatowej: Jeśli jakość cięcia jest niska, a odchylenia wymiarowe duże, podczas ułożenia rdzenia powstają duże luki między blachami, wiele nakładów i nierównomierny laminat rdzenia, co prowadzi do zwiększenia prądu bezobciążeniowego, czasem przekraczającego normy. Po usunięciu szczotek specyficzne straty maleją. Testy pokazały, że po usunięciu szczotek z 30QG120, specyficzne straty P1,5 spadają o 2,1%-2,6% (średnio 2,3%), a P1,7 o 1,6%-3,5% (średnio 2,5%).

Poprawienie jakości cięcia skierowanej stali silikatowej, zmniejszenie szczotek, poprawa płaskości oraz zastosowanie odpowiedniego nacisku na słupy rdzenia. Opinie producentów transformatorów wskazują, że zmniejszenie szczotek o 0,02 mm zmniejsza całkowitą grubość ułożonego laminatu (w punktach zacisku) o 2-3 mm, a hałas o 3-4 dB. Dlatego szczotki powinny być kontrolowane w granicach 0,03 mm.

Skierowana stal silikatowa musi poddać się procesom pocięcia, tłoczenia i ułożenia, które generują naprężenia wewnętrzne, powodując deformację ziaren, co prowadzi do obniżenia przenikalności magnetycznej i wzrostu specyficznych strat żelaza. Naprężenia wytworzone w skierowanej stali silikatowej podczas procesów pocięcia, tłoczenia, ułożenia i innych operacji przetwarzania mogą być zmniejszone przez obróbkę cieplną, która może zmniejszyć specyficzne straty żelaza zimnorolowanej skierowanej stali silikatowej o około 30%.