Влияние ориентированной электротехнической стали на эффективность и шум трансформатора

1. Тенденции развития технологии производства силовых трансформаторов в Китае

Силовые трансформаторы развиваются в двух основных направлениях:

Первое, развитие в сторону сверхбольших ультравысоковольтных трансформаторов, с уровнем напряжения, переходящим от 220 кВ, 330 кВ и 500 кВ к 750 кВ и 1000 кВ.

Второе, развитие в сторону энергосберегающих, миниатюрных, низкошумных, высокого сопротивления и взрывозащищенных типов. Эти продукты в основном представляют собой малые и средние трансформаторы, такие как новые распределительные трансформаторы S13 и S15, которые сейчас рекомендуются для модернизации городских и сельских электросетей.

Направление будущего развития трансформаторов в Китае будет по-прежнему сосредоточено на энергоэффективности, низком уровне шума, пожаробезопасности и взрывозащищенности, а также высокой надежности.

2. Влияние ориентированной электротехнической стали на характеристики силовых трансформаторов

В развитых промышленных странах электроэнергия, потребляемая за счет потерь в железе ориентированной электротехнической стали, составляет примерно 4% от общего объема выработки электроэнергии. Поэтому снижение потерь в железе ориентированной электротехнической стали всегда было важным исследовательским вопросом для предприятий, производящих электротехническую сталь по всему миру. Потери в железе можно разложить на потери от вихревых токов и гистерезисные потери.

Что касается материала электротехнической стали, основные методы снижения потерь в железе ориентированной электротехнической стали включают увеличение содержания кремния, уменьшение толщины листа и технологию утончения доменной структуры.

(1) Увеличение содержания кремния

В настоящее время промышленно производимая электротехническая сталь содержит более 3,0% кремния по массе. При увеличении до 6,5% потери в электротехнической стали значительно уменьшаются, делая ее оптимальным материалом для использования в диапазоне частот от 400 Гц до 10 кГц.

(2) Уменьшение толщины листа

Текущая используемая ориентированная электротехническая сталь становится все тоньше. Толщина 0,35 мм была выведена из эксплуатации, а общепринятые толщины теперь составляют 0,3 мм, 0,27 мм, 0,23 мм и 0,18 мм, что позволяет снизить потери от вихревых токов в ориентированной электротехнической стали.

• Ориентированная электротехническая сталь толщиной 0,20 мм может использоваться при частоте 400 Гц или ниже, с плотностью магнитного потока, достигающей 1,5 Тл, и относительно низкими потерями в железе.

• Ориентированная электротехническая сталь толщиной 0,15 мм, работающая на частоте 1 кГц с плотностью магнитного потока 1,0 Тл, имеет значение потерь в железе менее 30 Вт/кг. Следовательно, эта спецификация тонкой полосы подходит для использования при частоте 1 кГц или ниже.

• Ориентированная электротехническая сталь толщиной 0,10 мм и 0,08 мм более подходят для использования при частотах ниже 3 кГц. При частоте 3 кГц используется ориентированная электротехническая сталь толщиной 0,10 мм с плотностью магнитного потока около 0,50 Тл. В тех же условиях спецификация 0,08 мм может использовать немного более высокие значения плотности магнитного потока, такие как 0,50-0,80 Тл.

• Ориентированная электротехническая сталь толщиной 0,05 мм, работающая на частоте 5 кГц, может иметь значение плотности магнитного потока 0,5-0,6 Тл. Следовательно, ориентированная электротехническая сталь толщиной 0,05 мм имеет самый широкий диапазон применения среди вышеупомянутых пяти спецификаций и подходит для использования при частоте 5 кГц и ниже.

(3) Утончение доменной структуры

Технология насечек: Нарита из Японии сообщил о влиянии насечек на доменную структуру и потери в ориентированной электротехнической стали, указав, что насечки, перпендикулярные направлению полосы, могут эффективно уменьшить расстояние между стенками доменов и потери от вихревых токов.

Технология лазерной обработки использует особенности быстрого нагрева и охлаждения для обработки поверхности полос ориентированной электротехнической стали путем нанесения линий, способствуя микропластической деформации и образованию высокоуплотненных дислокаций в нагретой области, уменьшая длину главных стенок доменов, одновременно создавая остаточные растягивающие напряжения, достигая цели утончения доменных структур и снижения потерь в железе.

Существуют два метода лазерной обработки: импульсный и непрерывный.

3. Влияние поверхности ориентированной электротехнической стали на шум трансформатора

Одной из основных причин шума трансформатора является магнестрикция ядер из ориентированной электротехнической стали.

Магнестрикция — это изменение длины ферромагнитного материала при намагничивании. Магнестрикция ориентированной электротехнической стали сильно зависит от наличия поверхностного изоляционного покрытия. Натяжение, создаваемое покрытием на полосах электротехнической стали, может противодействовать сжимающим напряжениям, возникающим в результате материалов и сборки трансформатора, тем самым снижая шум трансформатора. Непокрытые полосы стали очень чувствительны к сжимающему напряжению. По мере увеличения давления значение магнестрикции резко возрастает, тогда как покрытые полосы показывают менее значительное увеличение значения магнестрикции при увеличении сжимающего напряжения, что свидетельствует о меньшей чувствительности к сжимающему напряжению.

Желательно, чтобы ориентированная электротехническая сталь имела низкую магнестрикцию, чтобы снизить ее чувствительность к напряжению, а также уровень шума. Поскольку напряжение возникает при сборке сердечника трансформатора, необходимо снизить чувствительность материала к напряжению. Благодаря покрытию, чувствительность ориентированной электротехнической стали к напряжению при магнестрикции снижается, и уровень шума трансформатора также уменьшается.

Кроме того, нанесение изоляционного покрытия на ориентированную электротехническую сталь обычно также приводит к снижению удельных потерь, уменьшая потери в железе на 9-14%. Качество изоляционного покрытия предпочтительно должно быть выше 5 г/м².

4. Влияние высокопроницаемой ориентированной электротехнической стали на холостые потери и уровень шума силовых трансформаторов

Преимущества высокопроницаемой ориентированной стали силиконовой стали Hi-B следующие:

(1) Отличные магнитные характеристики

Магнитные характеристики обычно оцениваются по плотности магнитного потока при 800А/м. Высокопроницаемая ориентированная силиконовая сталь Hi-B имеет относительную проницаемость около 1920 при 800А/м, в то время как у стали CGO она составляет 1820. Использование высокопроницаемой ориентированной силиконовой стали Hi-B в качестве материала сердечника для снижения потерь холостого хода является наиболее эффективным способом экономии энергии.

(2) Низкая магнестрикция

Магнестрикция представляет собой изменение длины сердечника в направлении намагничивания при переменном магнитном поле, что является одной из основных причин шума трансформаторов. Поскольку у высокопроницаемой ориентированной силиконовой стали Hi-B низкая магнестрикция, это значительно снижает шум трансформаторов и загрязнение окружающей среды.

5. Влияние технологии обработки сердечников силовых трансформаторов

В процессе производства и обработки ориентированная силиконовая сталь подвергается срезу и механическому воздействию. Механическая обработка и внешние факторы, приводящие к ухудшению, значительно влияют на удельные потери силиконовых листов, иногда увеличивая их на 3,08%-31,6%.

Зубцы от продольной резки ориентированной силиконовой стали: если качество резки низкое с большими отклонениями размеров, при сборке сердечника будут образовываться большие зазоры между листами, много перекрытий и неравномерность слоев, что приводит к увеличению пустого тока, иногда превышающего стандарты. После удаления зубцов удельные потери снижаются. Тесты показывают, что после удаления зубцов 30QG120 удельные потери P1.5 снижаются на 2,1%-2,6% (в среднем 2,3%), а P1.7 — на 1,6%-3,5% (в среднем 2,5%).

Улучшение качества резки ориентированной силиконовой стали, уменьшение зубцов, а также улучшение плоскостности и применение подходящего усилия зажима к колоннам сердечника. Отзывы производителей трансформаторов показывают, что уменьшение зубцов на 0,02 мм снижает общую толщину стопки (в точках зажима) на 2-3 мм, а шум снижается на 3-4 дБ. Поэтому зубцы следует контролировать в пределах 0,03 мм.

Ориентированная силиконовая сталь должна проходить резку, штамповку и стопирование, что создает внутренние напряжения, вызывающие деформацию зерен, что приводит к снижению магнитной проницаемости и увеличению удельных потерь железа. Напряжения, возникающие в ориентированной силиконовой стали при резке, штамповке, стопировании и других операциях обработки, могут быть уменьшены путем отжига, что может снизить удельные потери холоднокатаной ориентированной силиконовой стали примерно на 30%.