电工钢第七章

第7章冷轧取向硅钢7.1 概述变压器分为电力变压器（7500~1500000kV A大型变压器和1000~7000kV A中型变压器）、配电变压器（10~500 kV A）、小变压器和特殊变压器。

发电厂一般通过4~5台变压器将电输送给用户使用（见图7-1）。

有6％~10％电力消耗在输电、配电系统，其中输配电导线引起的损耗约占60％，变压器损耗约占40％。

变压器损耗中铜损和铁损各占约50％，因此变压器铁芯损耗占输配电损耗的18％~20％。

日本年发电量约为5×1011kW·h，每年有约7×109kW·h（6％）消耗公输配电系统．其中变压器铁损约占18％，即消耗约6.5×108 kW·h，合100亿日元，相当于300万以上家庭用户用电量。

美国用电分散，输配电系统消耗的电力占年发电量(约2.5×1012kW·h)的8％~10％。

图7-1 输配电系统示意图变压中铜损与负载有关，激磁电流增高，铜损增大。

铁损则无论有无负载，在24h内都存在，所以也称空载损耗。

因此变压器铁损比铜损更重要。

空载损耗随变压器容量增大而减小（见表7-1）。

在大的升压电力变压器中，负载损耗（铜损）约占80％，空载损耗只约占20％。

在配电变压器中空载损耗约占65％，比大电力变压器约大两倍。

美国配电变压器台数最多，约2000万台，每年要生产约100万台作为补充。

配电变压器和电力变压器造成的电力损耗各约占变压器总损耗的1/2。

从1973年开始，先后两次石油危机造成世界能源紧张。

美国首先改变更压器（降低设计B m）和电机（开发高效电机）设计来提高效率。

同时提出“电力损耗评价制度（Loss Evaluation System）”，即变压器或电机总成本（也称评价成本）＝制造成本十能量成本。

能量成本（D）是按铁损和铜损核定价估算，即：D＝H(V E十V K·L2)，kW·h。

式中，H＝变压器10年内运行小时数；V E=铁损降低值，kW；V K＝铜损降低值．kW；L＝负载率。

年损耗评价公式：制造成本十A×空载损耗(W)十B×负载损耗(W)。

A＝铁损核定价($/W)；B＝铜损核定价($/W)。

也就是说，一台变压器的净值为铁损核定价、额外材料费和制造成本三者变化的差别。

铁损核定价的确定涉及许多条件，随地区和时间不同而变化。

由图7-2看出，变压器制造成本随设计B值增高而降低，而能量成本却随B增高而增加，因此有一合适的设计B值。

应选用合适的取向硅钢牌号和厚度进行设计和制造。

按美、英和日本的平均统计，1978年铁损核定价约为1.0$/W，铜损为0.58$/W。

1983年铁损升到3.4$/W，铜损升到1.5$/W（见图7-3）。

1983年后能源危机趋于缓和，铁损核定价增长速度减慢。

在此期间美国发展了低铁损铁基非晶软磁合金用作配电变压器[1~3]。

现在美国约有10%配电变压器是用非晶合金制造。

频率不变时变压器输出电压V与铁芯磁通密度只有如下关系：V＝K·B·S·n。

S为铁芯断面积，n为铜线匝数。

变压器容量＝V·I=K(B×S)·(n×I)。

I为输出电流；(B×S)是与铁芯重量有关的参量；(n×I)是与铜线匝数有关的参量。

变压器容量不变，即(n×I)不变时，选用高磁感取向硅钢Hi-B制造，设计B m提高，铁芯断面S 可缩小，变压器体积减小，重量减轻，但铁损增大。

70年代前致力于改善取向硅钢磁性的目的是使B m（从1.0 T→1.5T→1.7T）不断提高，在保证过电压＜10％条件下减轻变压器重员和缩小体积，降低制造成本。

特别是Hi-B钢产品问世后，B m已大多选用1.7~1.8T。

70年代后由于考虑能量成本，情况发生变化。

美国开始降低B m值，降低速度为每年2％或0.03T，从1.7T又逐渐降到1.2~1.5T，这使变压器铁损和噪音明显下降。

其缺点是材料用量增多、体积和重量增大。

一台25kV A配电变压器。

将B m降低约20％后铁损为基本设计方案的82％~90％，铁芯重量增加约40％。

以变压器寿命为30年计算，因为铁芯加重所造成的额外铁损能量为节约的铁损能量的2％~3.3%，总成本阵低约16％（见表7-2）。

但降低B m有一限度，当制造成本增长值大于能量成本降低值以及由于变压器体积和重量过大而影响运输和安装时，就不能再降低B m。

近20年，由于非晶合金的发展进一步促进了取向硅钢的发展，激光照射的0.23mm厚Hi-B钢制的变压器空载损耗比0.3mm厚G6H（美国30M2H）高牌号制的降低25％，装配因子改善4％。

现在各国选用的B m仍以1.7T为主、采用高质量取向硅钢制造。

7.1.1 变压器铁芯中磁通密度和铁损的分布布雷斯福德(F．Brailsfold)等首先将铁芯叠片钻成小孔绕上探测线圈，测定和计算变压器铁芯中各地区的磁通密度分布情况[4]。

摩西(A．J．Moses)等首先采用有限单元法和探测线圈更快地测定和计算磁通谐波（局部磁场）分布情况。

采用袖珍式热电偶或半导体温度计等热敏电阻法检测激磁时局部地区开始温升速度。

温升速度与局部地区损耗成正比关系。

每隔5~10s测出的典型温升为0.05℃，从而可计算出局部铁损分布情况。

这样测定局部损耗方法费时间。

随后又发展按局部磁通谐波和磁场分布由下式计算局部铁损方法式中，b n和h n分别为磁通B和磁场H的n次谐波组分的峰值。

Φn为B和H 之间角度，即时间相角。

业已证明，在铁芯各地区都产生范围很宽的磁通畸变（谐波磁通）。

在铁芯T接点处由于磁通力向与轧向不平行、三次谐波磁通密度高，这使法向磁通增高．所以铁损高。

法向磁通引起的铁损与叠片数量无关，而与叠片表面积有关。

叠片表面积愈大，铁损也愈高。

还证明渗入到中心柱体中的三次谐波磁通量和铁损也高（见图7-4）。

这都是因为变压器铁芯中局部磁通随时间而产生非正弦波形引的[5]。

7.1.2 变压器噪音大变压器产生的噪音是一个严重问题，像欧洲和日本对人口稠密的大城市规定噪音不能超过80dB。

变压器噪音产生的主要原因是由于取向硅钢磁化时磁致伸缩（λs）引起的铁芯尺寸变化。

λs随B的变化不是线性关系。

这产生了高次谐波。

180°畴壁移动时λs值很小，90°畴壁移动产生正λs变化，磁畴转动产生负λs变化。

此外，铁芯磁化时由于电磁力作用使条片移动也产生噪音。

设计B m愈高，变压器噪音愈大。

B m每降低0.1T，噪音降低约5dB。

取向硅钢的正λs或负λs值小，噪音低。

正λs值小．应力敏感性也小。

材料取向度高，λs低，制成的变压器嗓音小。

表面应力涂层产生的拉应力或外加拉应力也使λs降低。

钢片平整，装配铁芯时压应力减小，λs和噪音降低，因为轧向和法向压应力使λs和铁损都明显增高[见图7-5（b）]。

铁芯斜外角搭接长度减小以及搭接处空气隙减小也可使λs和噪音降低[6]。

7.1.3 应力对铁损和磁致伸缩的影响应力使材料总自由能中增加一项磁弹性能（E），这使磁畴组织改变，以便使总自由能处于最低状态。

实验证明：1）理想(110)[001]取向硅钢沿轧向（即[001]方向）加拉应力（ζ）时，E＝-λ100ζ。

负号表示加拉力时E减小，磁畴基本保持原状态[见图7-5(a)上]，都是与[001]平行的180°主磁畴（在主磁畴露出表面处存在表面闭合畴），但180°畴细化了。

磁化过程是依靠180°畴壁移动完成的，λ100近似为零，铁损也明显降低。

2）沿轧向加压应力时，E＝+λ100ζ。

正号表示加压力时E增大．磁畴变为应力磁畴图案[见图7-5(a)下]，主要是沿[100]和[010]方向磁化。

磁弹性能比静磁能相磁晶各向异性能小很多，但当它达到总自由能的1％时，就使静态磁畴变为这种应力磁畴。

此时沿轧向更难磁化，因为内部磁畴的磁化矢量必须转动90°，这使铁损和λs增高。

由图7-5(b)看出，沿轧向加约5MPa压力时，铁损增高30％~40％，λs（即∂l/l）增大10倍以上，即沿轧向加压力对λs的影响最大。

3）沿横向加拉应力时，E＝+(λ100ζ/2)，相当于沿轧向加1/2压应力。

4）沿横向加压应力与沿轧向拉应力的作用相似，铁损和λs降低。

5）沿法向加压应力，如铜板冲剪受的应力，由于E值很小，磁畴组织变化较小。

例如，加1MPa法向压力时，铁损约增高15％，λs也提高了。

6）施加各向同性压应力（如装配铁芯情况）时，E＝-(λ100ζ/4)，相当于沿轧向加1/4拉应力的效果。

装配铁芯时常受到高达5MPa应力，应力分布状态复杂且不均匀。

在T接点和斜外角处的磁通入向与轧向有偏离，应力对这些地区的转动磁通和交变磁通有很大影响。

铁芯产生应力的原因是：1）压紧铁芯时产生法向和平面压应力。

2）条片不平，叠片呈波浪形。

平滑条片在压紧时也会由于本身重量和相邻叠片的压力产生很大应力。

一边产生压力，另一边产生拉力。

1m长度上有0.3mm波浪度，条片沿轧向就产生±2MPa应力。

叠片厚度略有变化也产生同样应力。

弯曲应力比压应力对铁损和λs的影响小。

3）变压器即使采取有效冷却方法．在铁芯内外也会产生温差。

在T接点和斜外角地区温升高于其他地区，这也产生大的温度梯度。

温差为20℃时就可产生1MPa应力。

控制好压紧应力、温度梯度、选用平滑条片和高取向硅钢可使铁芯中应力减小。

又如涂应力涂层会产生3.5MPa拉应力，减小了材料的应力敏感性[7,8]。

7.1.4 温度对磁性和磁致伸缩的影响变压器工作温度一般为50~150℃。

温度升高，材料的电阻率增大，P e下降，P h和P a基本不变，所以铁损降低[见图7-6(a)]。

低磁场下B值随温度升高有增大趋势[见图7-6(b)]，而B8和B S降低[见图7-6(c)][9~11]。

温度升高，涂层产生的拉应力松弛，铁损和λs的应力敏感性增大（见图7—7）[12]。

图7-6 温度与铁损（a），磁化曲线（b）及B8和B S（c）的关系7.1.5 普通取向硅钢（GO）与高磁感取向硅钢（Hi-B）的性能比较GO产品的晶粒[001]偏离角＜10°者占75％，平均偏离角≈7°，二次晶粒直径为3~5mm，B8≈1.82T。

Hi-B产品的晶粒[001]偏离角＜10°者占100％，平均偏离角≈3°，二次晶粒直径为10~20mm（MnSe+Sb方案，二次冷轧法的二次晶粒直径为3~5mm），B8≈1.92T 。

由于Hi-B钢取向度高和涂应力涂层其铁损和λS值比GO钢明显降低，而且应力敏感性更小（见图2-61和图7-8），铁损至少降低15％，相当于提高3~4个牌号。