我國變壓器發展及變壓器與硅鋼片性能的關係

變壓器用取向電工鋼技術專題（四）

編者按：取向電工鋼是電力工業不可缺少的重要軟磁材料，主要用作變壓器鐵心。取向電工鋼分為普通取向電工鋼和高磁感取向電工鋼兩類。目前我國變壓器正在向節能型，低雜訊及智能高可靠性方向發展，其核心部件冷軋取向電工鋼對變壓器的空載損耗與雜訊水平的影響最為突出，因此，更低損耗的高磁感電工鋼和更低磁致伸縮的取向電工鋼將是未來的研發方向。此外，取向電工鋼在加工為變壓器的過程中極易產生應力，進而導致其單嚮導磁性能降低。為了讓讀者深入了解變壓器用電工鋼的品種質量特性、未來的發展趨勢以及深加工技術，本報特組織該專題，以饗讀者！

我國變壓器發展及變壓器與硅鋼片性能的關係

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我國變壓器發展回顧

變壓器是電力系統中極其重要的輸變電設備，變壓器的質量和先進性與電力系統的整體發展密切相關。幾十年來，我國變壓器行業通過自主創新、引進國外先進技術再創新，使我國變壓器從產品品種、技術、質量水平、電壓等級、容量都有了巨大進步和大幅提升。目前，我國可以自主製造生產的變壓器主要有超特高壓變壓器、直流輸電用換流變壓器、油浸式電力變壓器、非晶合金鐵心變壓器、環氧樹脂澆注乾式變壓器、立體卷鐵心變壓器、預裝式組合變電站、組合式變壓器、天然酯植物絕緣油變壓器等。據不完全統計，我國變壓器企業在2000家以上，其中可生產500kV級及以上中大型變壓器的企業約30家、可生產220kV級及以上中型變壓器的企業約60家、可生產10-110kV級中小型變壓器的企業超過2000家，主要企業有瀋陽變壓器集團有限公司、衡陽變壓器有限公司、新疆變壓器有限公司、中國西電集團、天威保變電氣股份有限公司、西門子（廣州）變壓器公司、西門子（濟南）變壓器公司、重慶ABB變壓器公司、常州東芝變壓器公司等。

瀋陽變壓器廠於1955年製造了我國第一台110kV變壓器、1957年製造了我國第一台220kV變壓器、1970年製造了我國第一台330kV變壓器、1979年底為中國第一條500kV輸電線路研製出中國第一台500kV變壓器、1998年率先製造出1000kV變壓器。2009年我國首條特高壓示範工程——湖北荊門至山西長治的交流1000kV特高壓輸電線路正式投運，西電西安變壓器有限公司、瀋陽變壓器集團有限公司和天威保變電氣股份有限公司為該示範工程研發製造出中國第一批1000kV變壓器。2010年我國自主設計建設的南方電網雲南至廣東±800kV特高壓直流輸電工程建成並投入運行，西電西安變壓器有限公司、瀋陽變壓器集團有限公司和天威保變電氣股份有限公司為該工程研發製造了中國第一批±800kV直流輸電用換流變壓器。截止2017年，我國已在500kV及以上高等級電力變壓器以及小浪底工程、三峽工程、青藏鐵路工程、觀音岩、溪浙、金中等國家重點工程上使用國產取向電工鋼。

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變壓器性能指標與硅鋼片的關係

2.1硅鋼片與鐵損

變壓器鐵損就是變壓器的空載損耗。變壓器的空載性能主要指變壓器運行時的空載損耗及空載電流。變壓器投入電網運行，不論帶多大負荷，都有空載損耗存在。要降低電網運行的能源消耗，應主要降低變壓器空載損耗，見表1。空載損耗的大小主要取決於硅鋼片材質，還與鐵心設計和製造工藝有關。空載損耗等於鐵心中渦流損耗和磁滯損耗之和。

2.1.1渦流損耗

當交變的磁通穿過鐵心時，除在線圈中產生感應電流之外，在鐵心片中也產生感應電流，一般稱為渦流。由於渦流產生在與磁通垂直的鐵心截面上，造成鐵心內部的功率損耗，稱渦流損耗。渦流損耗由經典渦流損耗和異常渦流損耗組成。鐵心為金屬導體，由於電磁感應現象，在交變磁場硅鋼片內產生感應電勢，在鐵心內產生環電流，產生渦流損耗。把這部分的渦流損耗稱之為經典渦流損耗。由於渦流是鐵心中感應電勢產生環流，渦流損耗與渦流的平方成正比，所以也就與感應電勢的平方成正比，而感應電勢的大小又取決於磁通的變化率。當磁通隨時間正弦變化時，感應電勢的大小就由最大磁通密度Bm和頻率來決定。渦流損耗與電阻係數成反比。磁通密度不僅與磁路中作用的磁勢及磁阻有關，還與鐵心片中渦流有關。工程上採用愛波斯坦試驗法確定不同材質的磁化曲線。愛波斯坦試驗法不能將磁滯損耗和渦流損耗分開。因此經典渦流損耗與最大磁通密度Bm和與頻率的二次方成正比，還與材料的厚度二次方成正比。

2.1.2磁滯損耗

鐵磁材料在反覆磁化的過程中磁疇反轉及旋轉時磁疇邊界磨擦所消耗的能量損耗稱磁滯損耗，磁滯損耗與硅鋼片內部的結晶方位、結晶純度、內部晶粒的畸變等有關。磁滯損耗的大小與頻率和磁滯回線的面積成正比。磁滯回線的面積又和最大磁通密度Bm的平方成正比，因此磁滯損耗與最大磁通密度Bm的平方成正比。磁滯回線取決於材料特性，且是磁通密度峰值的函數。磁滯損耗占鐵心損耗的80%。

2.2硅鋼片與空載電流

變壓器空載電流包括有功分量和無功分量。有功分量是正弦波，其大小几乎只取決於鐵損，所以稱有功分量為鐵損電流。這是因為由勵磁電流產生的鐵損小得可以忽略不計，空載電流的功率因數一般為0.15-0.2。空載電流的無功分量是由一次繞組產生的，等於外施電壓的感應電勢所必須的磁通所決定的，它純用於維持變壓器勵磁，故稱為勵磁電流，它是空載電流的主要組成部分。在額定電壓下，大容量的變壓器空載電流約佔額定電流1%-2%，小容量可達到10%。變壓器空載電流的大小與硅鋼片的單位磁化容量和鐵心接縫的磁化容量密切相關，要求硅鋼片具有低單位磁化容量。

2.3硅鋼片與鐵心溫升

變壓器運行時，鐵心溫升的限值取決於硅鋼片材料的居里溫度，同時受到鐵心硅鋼片表面絕緣塗層耐高溫性能的限制。取向電工鋼產品表面均塗以一層無機絕緣塗層，該塗層具有優異的塗層特性：層間電阻高，確保良好的層間絕緣性；沖片性能優，塗層與底層緊密結合，具有良好的附著性，可防止加工時塗層脫落；表面塗層均勻且薄，具有優異的疊片性能，即疊裝係數高；耐熱性能好，塗層能承受800℃退火，且不被損壞；耐蝕性能好，塗層與冷卻油、絕緣油、機械油及氟里昂、防凍油等不相容，免受侵蝕。

2.4硅鋼片與雜訊

減少硅鋼片的磁滯伸縮，可以有效降低空載變壓器的雜訊。

2.5硅鋼片與疊裝係數

疊裝係數是反應變壓器製造水平的一個重要指標，與硅鋼片的質量密切相關，影響因素主要有：硅鋼片厚度、同板差、表面厚度公差、平整度，絕緣層厚度及絕緣層厚度公差、沖孔和剪切加工過程中的毛刺、波浪度以及疊裝方式和夾緊力等。

本文摘選自本報2018年第12期B05部分內容，若要詳細了解更多相關行業和技術信息，請關注本報紙質報紙每期A版和B版內容，或者登陸本報手機APP客戶端，或者本報網站新址：http://www.worldmetals.com.cn/電子報閱讀全文。轉載請註明出處。

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