Usmerjeni silikatni jekel in njegov vpliv na učinkovitost in hrup transformatorja

1. Razvojne Tendence Tehnologije Izdelave Električnih Transformatorjev v Kitajski

Električni transformatorji se razvijajo predvsem v dveh smerih:

Prva, usmeritev k izjemno velikim ultravisokonapetostnim transformatorjem, z napetostnimi nivoji, ki se povečujejo od 220kV, 330kV in 500kV do 750kV in 1000kV.

Druga, usmeritev k energijsko učinkovitim, malim, tiho delujočim, visoko-ohomskim in eksplozivnostjo zaščitenim tipom. Ti izdelki so predvsem manjši in srednje veliki transformatorji, kot so trenutno priporočeni novi distribucijski transformatorji S13 in S15 za posodobitve električnih omrežij na mestu in na podeželju.

Prihodnja smer razvoja kitajskih transformatorjev bo še naprej osredotočena na energijsko učinkovite, tiho delujoče, požarne in eksplozivnostjo zaščitene tipe ter visoko pouzdanost.

2. Vpliv Usmerjenega Silicija na Delovanje Električnih Transformatorjev

V razvitih industrijskih državah predstavlja električna energija, porabljena zaradi železnih izgub v usmerjenem siliciju za transformatorje, približno 4% celotne proizvodnje električne energije. Zato je zmanjševanje železnih izgub usmerjenega silicija vedno pomembna raziskovalna tema za silicijske podjetja po vsem svetu. Železne izgube lahko razbremenimo na tokovne izgube in histeresne izgube.

Glede na material silicija so glavni načini zmanjševanja železnih izgub v usmerjenem siliciju povečanje vsebnosti silicija, zmanjševanje debeline listov in tehnologija izrafiniranja magnetnih domen.

(1) Povečanje Vsebnosti Silicija

Trenutno industrijsko proizveden silicij vsebuje preko 3,0% masnega deleža silicija. Ko se poveča na 6,5%, se izgube silicija zelo zmanjšajo, kar ga čini optimalnim materialom za uporabo v frekvenčnem območju od 400Hz do 10kHz.

(2) Zmanjševanje Debeline Listov

Trenutno uporabljeni usmerjeni silicij postaja vse bolj tank. Debela 0,35mm je bila izfazirana, z običajnimi debelinami 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm in 0,18mm, kar zmanjša tokovne izgube v usmerjenem siliciju.

• Usmerjeni silicij debeline 0,20mm lahko uporabimo pri frekvenci 400Hz ali nižje, z magneto-fluxno gostoto, ki doseže 1,5T, in relativno nizkimi železnimi izgubami.

• Usmerjeni silicij debeline 0,15mm, ko deluje pri frekvenci 1kHz z magneto-fluxno gostoto 1,0T, ima vrednost železnih izgub manjšo od 30W/kg. Zato je ta specifikacija tankega traku primerna za uporabo pri frekvenci 1kHz ali nižje.

• Usmerjeni silicij debeline 0,10mm in 0,08mm je bolje prilagojen za uporabo pri frekvencah pod 3kHz. Pri frekvenci 3kHz se uporablja usmerjeni silicij debeline 0,10mm z magneto-fluxno gostoto okoli 0,50T. Pod istimi pogoji lahko specifikacija 0,08mm uporablja nekoliko višje vrednosti magneto-fluxne gostote, kot so 0,50-0,80T.

• Usmerjeni silicij debeline 0,05mm, ko deluje pri frekvenci 5kHz, lahko ima vrednost magneto-fluxne gostote 0,5-0,6T. Zato ima usmerjeni silicij debeline 0,05mm najširši obseg uporabe med petimi omenjenimi specifikacijami in je primeren za uporabo pri frekvenci 5kHz in nižje.

(3) Izrafiniranje Magnetnih Domen

Težnica: Japonski Narita je poročal o vplivu težnice na strukturo domen in izgube v usmerjenem siliciju, ki kaže, da težnica pravokotno na smer traku lahko učinkovito zmanjša razdaljo med domenskimi stenami in tokovne izgube.

Tehnologija Laserske Obravnave izkorišča lastnosti hitrega segrevanja in hladnega hlajenja za obravnavo površine usmerjenega silicija z linijkami, s tem spodbuja mikroplastično deformacijo in visoko gosto dislokacijsko strukturo v segretem območju, zmanjša dolžino glavne domenske stene, hkrati pa ustvari ostankarsko vztegnjenost, doseže cilj izrafiniranja magnetnih domen in zmanjša železne izgube.

Obstajata dve metodi laserske obravnave: impulzna in zvezna laserska obravnava.

3. Vpliv Površine Usmerjenega Silicija na Šum Transformatorja

Ena od glavnih vzrokov za šum transformatorja je magnetostrukcija jedra usmerjenega silicija.

Magnetostrukcija se nanaša na spremembo dolžine feromagnetnega materiala med magnetizacijo. Magnetostrukcija usmerjenega silicija je tesno povezana s površinskim izolacijskim premazom. Napetost iz premaza na silicijevih listih lahko protiutezi pritiskne stres, ki ga generira material in montaža transformatorja, s tem zmanjša šum transformatorja. Neobpremljeni listovi so zelo občutljivi na pritiskni stres. Ko se pritisk poveča, se vrednost magnetostrukcije nenadoma poveča, medtem ko obpremljeni listi prikažejo manj znatno povečanje vrednosti magnetostrukcije z večanjem pritisknega stresa, kar kaže na manjšo občutljivost na pritiskni stres.

Želeno je, da ima usmerjeni silicij nizko magnetostrukcijo, da zmanjša njegovo občutljivost na stres, hkrati pa tudi šum. Ker se stres generira med montažo jedra transformatorja, je potrebno zmanjšati občutljivost materiala na stres. Zaradi premaza se občutljivost usmerjenega silicija na stres med magnetostrukcijo zmanjša, in s tem se zmanjša tudi šum transformatorja.

Dodatno, nanos izolacijskega premaza na usmerjeni silicij običajno še zmanjša specifične izgube, zmanjša železne izgube za 9%-14%. Kakovost izolacijskega premaza naj bi bila najbolje nad 5g/m².

4. Vpliv Visoko-Prozračnega Usmerjenega Silicija na Izgube Brez Opterežbe in Raven Šuma Električnih Transformatorjev

Prednosti Hi-B visoko-permeabilnega usmerjenega silikata sta naslednji:

(1) Odlične magnetizacijske značilnosti

Magnetizacijske značilnosti se običajno merijo s gostoto magnetnega toka pri 800A/m za oceno njihove kakovosti. Hi-B visoko-permeabilni usmerjeni silikat ima relativno permeabilnost približno 1920 pri 800A/m, medtem ko je CGO jeklo 1820. Uporaba Hi-B visoko-permeabilnega usmerjenega silikata kot materiala za jedro za zmanjšanje prazninske izgube je najučinkovitejša za energijsko učinkovitost.

(2) Nizka magnetostrukcija

Magnetostrukcija se nanaša na raztezanje in skrčevanje jedra v smeri magnetizacije med AC magnetizacijo, kar je ena od glavnih vzrokov hrupa transformatorja. Ker ima Hi-B visoko-permeabilni usmerjeni silikat nizko magnetostrukcijo, veliko zmanjša hrup transformatorja in onesnaževanje okolja.

5. Vpliv tehnologije obdelave jedra močnega transformatorja

Med izdelavo in obdelavo je usmerjeni silikat podvržen strižnemu napetu in utrinkom ročnega ravnanja. Mehanična obdelava in zunani dejavniki, ki povzročajo opadanje, znatno vplivajo na specifično izgubo listov silikata, nekateriče jo povečajo za 3,08-31,6 %.

Kljuki ob dolžinskim rezanju usmerjenega silikata: Če je kakovost reza slaba z velikimi odstopanji v dimenzijah, bo pri postavljanju jedra povzročila velike prostore med listi, številne prekrivanja in neravnomerno slojevanje jedra, kar poveča prazninski tok, nekateriče preseže standarde. Po odstranitvi kljukov se zmanjša specifična izguba. Testi kažejo, da po odstranitvi kljukov 30QG120 specifična izguba P1.5 zmanjša za 2,1-2,6 % (povprečno 2,3 %), P1.7 pa zmanjša za 1,6-3,5 % (povprečno 2,5 %).

Izboljšanje kakovosti reza usmerjenega silikata, zmanjšanje kljukov, hkrati izboljšanje ravnosti in uporaba ustrezne stiskalne sile na stolpih jedra. Povratne informacije izdelovalcev transformatorjev kažejo, da zmanjšanje kljukov za 0,02 mm zmanjša skupno višino slojevanja (na mestih stiskanja) za 2-3 mm, hrup pa zmanjša za 3-4 dB. Zato bi morali biti kljuki kontroliirani znotraj 0,03 mm.

Usmerjeni silikat mora preiti rezanje, odtisovanje in slojevanje, kar generira notranje napetosti, ki povzročajo deformacijo kristalov, kar vodi do zmanjšanja magnetne permeabilnosti in povečanja specifične železne izgube. Napetosti, ki se generirajo v usmerjenem silikatu med rezanjem, odtisovanjem, slojevanjem in drugimi operacijami, lahko zmanjšamo z termičnim otopitvijo, kar lahko zmanjša specifično železno izgubo hladnokotnega usmerjenega silikata približno za 30 %.