Uticaj orijentisanog silicijskog čelika na efikasnost i buku transformatora

1. Trendovi razvoja tehnologije proizvodnje električnih transformatora u Kini

Električni transformatori se uglavnom razvijaju u dva pravca:

Prvo, razvoj prema extra velikim ultra visokonaponskim transformatorima, sa nivoima napona koji se kreću od 220kV, 330kV i 500kV ka 750kV i 1000kV.

Drugo, razvoj prema energo-efikasnim, miniaturizovanim, niskog buke, visokih impedancijskih i eksplozivno-otpornih tipova. Ovi proizvodi su uglavnom mali i srednji transformatori, kao što su trenutno preporučeni novi distribucijski transformatori S13 i S15 za unapređenje urbanih i ruralnih elektroenergetskih mreža.

Buduci pravac razvoja transformatora u Kini će se i dalje fokusirati na energo-efikasne, niske buke, vatrogasne i eksplozivno-otporne tipove, kao i visoku pouzdanost.

2. Uticaj orijentisanog silikatnog čelika na performanse električnih transformatora

U razvijenim industrijskim zemljama, električna energija potrošena zbog gubitaka železa u orijentisanom silikatnom čeliku predstavlja približno 4% ukupne proizvodnje struje. Stoga, smanjenje gubitaka železa u orijentisanom silikatnom čeliku bilo je uvijek važan istraživački teme za svjetske poduzeća proizvođače silikatnog čelika. Gubitci železa mogu biti razdvojeni na gubitke turbulencije i histeretske gubitke.

Što se tiče materijala silikatnog čelika, glavne metode za smanjenje gubitaka železa u orijentisanom silikatnom čeliku su povećanje sadržaja silicijuma, smanjenje debljine listova i tehnologija finostrukturnog domena.

(1) Povećanje sadržaja silicijuma

Trenutno, industrijski proizvedeni silikatni čelik sadrži preko 3,0% silicijuma po masi. Kada se poveća na 6,5%, gubitci silikatnog čelika značajno opadaju, čime postaje optimalni materijal za upotrebu u frekvencijskom opsegu od 400Hz do 10kHz.

(2) Smanjenje debljine listova

Trenutno korišćeni orijentisani silikatni čelik postaje sve tankiji. Debljina 0,35mm je izbačena, a uobičajene debljine su 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm i 0,18mm, što može smanjiti gubitke turbulencije u orijentisanom silikatnom čeliku.

• Orijentisani silikatni čelik debljine 0,20mm može se koristiti na frekvenciji od 400Hz ili niže, sa magnetnom fluks gustinom koja doseže 1,5T i relativno niskim gubitcima železa.

• Orijentisani silikatni čelik debljine 0,15mm, kada radi na frekvenciji od 1kHz sa magnetnom fluks gustinom 1,0T, ima vrednost gubitaka železa manju od 30W/kg. Stoga, ovaj standard tanke trake prikladan je za korišćenje na frekvenciji od 1kHz ili niže.

• Orijentisani silikatni čelik debljine 0,10mm i 0,08mm više je kvalifikovan za korišćenje na frekvencijama ispod 3kHz. Na frekvenciji od 3kHz, orijentisani silikatni čelik debljine 0,10mm koristi se sa magnetnom fluks gustinom oko 0,50T. Pod istim uslovima, standard 0,08mm može koristiti nešto veće vrednosti magnetne fluks gustoće, poput 0,50-0,80T.

• Orijentisani silikatni čelik debljine 0,05mm, kada radi na frekvenciji od 5kHz, može imati vrednost magnetne fluks gustoće 0,5-0,6T. Stoga, orijentisani silikatni čelik debljine 0,05mm ima najširi spektar primene među pet navedenih standarda i prikladan je za korišćenje na frekvenciji od 5kHz i niže.

(3) Finostrukturni domeni

Tehnologija reznica: Narita iz Japana je izveštavao o uticaju reznica na strukturu domena i gubitke u orijentisanom silikatnom čeliku, pokazavši da reznice okomite na pravac trake mogu efektivno smanjiti rastojanje između zidova domena i gubitke turbulencije.

Laser procesna tehnologija koristi karakteristike brzog zagrevanja i hlađenja kako bi obradila površinu orijentisanog silikatnog čelika putem linijarnog označavanja, potičući mikroplastičnu deformaciju i visoku gustinu diskontinuiteta u zagrejanom delu, smanjujući dužinu glavnog zida domena, dok istovremeno stvara ostatak tenziona natega, dostižući cilj finostrukturnih domena i smanjenja gubitaka železa.

Postoje dve metode laser procesiranja: impulsnim i kontinuiranim laser procesiranjem.

3. Uticaj površine orijentisanog silikatnog čelika na buku transformatora

Jedan od glavnih uzroka buke transformatora jeste magnetostricija orijentisanog silikatnog čelika.

Magnetostricija se odnosi na promenu dužine feromagnetnog materijala tokom magnetizacije. Magnetostricija orijentisanog silikatnog čelika je značajno vezana za to da li postoji površinska izolaciona pokrivača. Tenzija iz pokrivača na listove silikatnog čelika može kompenzirati kompresivne nategove generisane materijalima i montažom transformatora, time smanjujući buku transformatora. Neoznačeni listovi su vrlo osjetljivi na kompresivni nateg. Kako pritisak raste, vrednost magnetostricije se brzo povećava, dok označeni listovi pokazuju manje značajne porasle vrednosti magnetostricije uz povećanje kompresivnog natega, što ukazuje na nižu osjetljivost na kompresivni nateg.

Željeno je da orijentisani silikatni čelik ima nisku magnetostriciju kako bi se smanjila njegova osjetljivost na nateg, a takođe i buka. Budući da se nateg generiše tokom montaže jezgra transformatora, potrebno je smanjiti osjetljivost materijala na nateg. Zbog pokrivača, osjetljivost orijentisanog silikatnog čelika na nateg tokom magnetostricije se smanjuje, a buka transformatora se takođe smanjuje.

Dodatno, nanoseći izolacionu pokrivaču na orijentisani silikatni čelik obično još uvek ima efekat smanjenja specifičnih gubitaka, smanjujući gubitke železa za 9%-14%. Kvalitet izolacione pokrivača treba da bude preferentno iznad 5g/m².

4. Uticaj visoko permeabilnog orijentisanog silikatnog čelika na gubitke bez opterećenja i nivo buke električnih transformatora

Prednosti Hi-B visokopermeabilne orijentisane silicijske čelike su sledeće:

(1) Izuzetne karakteristike magnetizacije

Karakteristike magnetizacije obično se mere magnetskom fluks gustoćom na 800A/m kako bi se procenila njihova kvalitet. Hi-B visokopermeabilna orijentisana silicijska čelik ima relativnu permeabilnost od oko 1920 na 800A/m, dok je kod CGO čelika 1820. Korišćenje Hi-B visokopermeabilne orijentisane silicijske čelike kao materijala za jezgra za smanjenje gubitaka bez opterećenja jeste najefikasnije za štednju energije.

(2) Niska magnetostrukcija

Magnetostrukcija se odnosi na dužinsko rasteganje i skraćivanje jezgra u pravcu magnetizacije tokom AC magnetizacije, što je jedan od glavnih uzroka buke transformatora. Budući da Hi-B visokopermeabilna orijentisana silicijska čelik ima nisku magnetostrukciju, značajno smanjuje buku transformatora i ekološku kontaminciju.

5. Uticaj tehnologije obrade jezgra transformatora

Tokom proizvodnje i obrade, orijentisana silicijska čelik podliježe strujnim naprezanjima i uticajima ručnog obraђивања. Механичка обрада и спољни фактори деградације значајно утичу на специфичне губитке листова силицијумске челике, понекад повећавајући специфичне губитке за 3,08%-31,6%.

Репови од продужног резања оријентисане силицијумске челике: Ако је квалитет резања лош са великим девијацијама димензија, приликом стаблирања језгра, то ће довести до великих размака између листова, многобројних преклапања и неравномерности слојева језгра, што приводи повећању празног тока, понекад прекорачујући стандарде. Након уклањања репова, специфични губитак се снижава. Тести показују да се након уклањања репова са 30QG120, специфични губитак P1,5 снижава за 2,1%-2,6% (средња вредност 2,3%), а P1,7 за 1,6%-3,5% (средња вредност 2,5%).

Унапређење квалитета резања оријентисане силицијумске челике, смањење репова, као и унапређење равнине, и применом одговарајућег опремног напона на ступце језгра. Фидбек производаца трансформатора указује да смањење репова за 0,02 мм смањује укупну дебелину стаблирања (на мјестима опреме) за 2-3 мм, а буку за 3-4 дБ. Зато треба контролисати репове унутар 0,03 мм.

Оријентисана силицијумска челик треба да претрпи резање, пресовање и стаблирање, што генерише интерне напрезања, доводећи до деформације зrna, што доводи до смањења magnetske permeabilnosti i povećanja specifičnih železničkih gubitaka. Naprezanja generisana u orijentisanoj silicijskoj čeliku tokom reza, presecanja, stakiranja i drugih operacija obrade mogu se smanjiti termičkom obradom, koja može smanjiti specifične gubitke hladnog valjanog orijentisanog silicijskog čelika približno za 30%.