孔慶奕， 容 燁， 李艷超， 程志光， 張 輝， 安 飛

(1. 河北交通職業(yè)技術學院軌道交通系， 河北 石家莊 050035；2. 電磁環(huán)境效應國家級重點實驗室， 陸軍工程大學， 河北 石家莊 050003；3. 石家莊理工職業(yè)學院軌道交通系， 河北 石家莊 050228；4. 保定天威保變電氣股份有限公司， 河北 保定 071056)

1 引言

大型電力變壓器的設計、制造離不開工作在高能量密度、高場強條件下的鐵磁材料[1]，例如，有疊層結(jié)構(gòu)的大型變壓器硅鋼片鐵心，各類采用低碳鋼、非導磁鋼、取向硅鋼片和混合鋼構(gòu)的變壓器油箱、鐵心夾件和拉板、電/磁屏蔽等構(gòu)件。電工鋼片的電磁特性具有復雜的非線性、多值性和矢量性質(zhì)，包括各向異性、磁滯特性等[2-5]。

特高壓、特大容量電力變壓器研發(fā)、設計、制造、運行中的節(jié)能降耗和安全等問題，與中低壓、中小容量的產(chǎn)品相比更加突出[6-8]，在電壓和容量較低的產(chǎn)品中可以忽略的問題在高電壓大容量產(chǎn)品中卻必須嚴加考慮。在這種情況下，沒有充分的材料性能數(shù)據(jù)支持的關鍵產(chǎn)品的電磁分析與設計是不可想象的。電工材料生產(chǎn)制造商所提供的數(shù)據(jù)通常是在標準規(guī)定的條件下測得的[9]，有時與實際工況下的數(shù)據(jù)相差比較大，不能真實反應電工鋼片的電磁性能。

本文利用愛潑斯坦方圈測試系統(tǒng)，首先針對變壓器制造廠商常用國內(nèi)外取向硅鋼片磁性能和損耗曲線進行測量。其次，利用愛潑斯坦方圈磁性能測量系統(tǒng)對兩種常見的取向硅鋼片進行了磁性能測量(包括磁化特性和損耗特性)并與退火前的數(shù)據(jù)進行了對比分析，目的是研究退火對電工鋼片磁性能的影響。然后，為了考察長期運行條件下硅鋼片磁特性的變化情況，本文選取了一臺運行30年的變壓器硅鋼片樣片進行磁性能測量，并與1988年的30ZH120材料樣本數(shù)據(jù)進行比較，得出長期運行條件下電工鋼片的磁特性變化。最后，針對標準外的不同頻率和溫度影響下的電工鋼片磁特性進行了測量。本次測量獲得的取向硅鋼片磁性能數(shù)據(jù)對取向硅鋼片磁性能模擬技術及變壓器鐵心設計、制造等方面研究具有重要意義。

2 愛潑斯坦方圈磁性能測量系統(tǒng)

愛潑斯坦方圈法是目前工業(yè)應用中廣為采用的取向硅鋼磁特性標準測量方法[9-11]。25cm愛潑斯坦方圈為標準方圈，它由初級線圈、次級線圈和作為鐵心的試樣組成，形成一個空載變壓器。采用愛潑斯坦方圈法測量時樣品必須嚴格按照標準規(guī)定的尺寸制作成樣片，而且樣片的最低數(shù)量和質(zhì)量也有嚴格的規(guī)定。方圈的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 25cm愛潑斯坦方圈Fig.1 25cm Epstein frame

本次測量采用的愛潑斯坦方圈磁性能測量系統(tǒng)由長沙天恒測控技術有限公司生產(chǎn)。其主要被測參數(shù)的不確定度如下：磁密峰值Bm(T)為0.5%；比總損耗Ps(W/kg)為1%。

3 變壓器鐵心常用國內(nèi)外取向硅鋼片磁性能對比分析

取向硅鋼片做為變壓器的核心部件，它的磁性能直接影響著變壓器的性能[12]。長期以來，大型電力變壓器用取向硅鋼片一直依賴進口，近年來，我國國內(nèi)的取向硅鋼片研發(fā)能力飛速發(fā)展，產(chǎn)品磁化性能大幅提高，但是缺乏相應的應用于超高壓變壓器的實驗數(shù)據(jù)，以至使變壓器生產(chǎn)商產(chǎn)生顧慮。為了對比分析國內(nèi)外取向硅鋼片的磁化性能，本文選取了變壓器制造廠商常用國內(nèi)外取向硅鋼片樣片，采用愛潑斯坦方圈磁性能測量系統(tǒng)對樣片進行了磁性能和損耗測量。

為比較國內(nèi)外不同廠家相同型號產(chǎn)品之間的損耗性能差異，測量相同型號的產(chǎn)品性能。圖2和圖3為損耗標稱值均為0.90W/kg和1.05W/kg的4種型號取向硅鋼片產(chǎn)品的損耗性能曲線。在被測試產(chǎn)品中，B27R090和B30P105為寶鋼產(chǎn)品，27RK090為武鋼產(chǎn)品，27PHD090和30PH105為韓國浦項產(chǎn)品，27ZDKH90和30ZH105為日本新日鐵產(chǎn)品，27JGH110為日本川崎產(chǎn)品。

圖2 0.90W/kg標稱值取向硅鋼片產(chǎn)品損耗性能比較Fig.2 Comparison of loss performance of silicon steel with 0.90W/kg nominal value orientation

圖3 1.05W/kg標稱值取向硅鋼片產(chǎn)品損耗性能比較Fig.3 Comparison of loss performance of silicon steel with 1.05W/kg nominal value orientation

硅鋼片生產(chǎn)廠家通常習慣用牌號高低表示硅鋼片的標稱值，標稱值越高，牌號也越高，標稱值越低，對應的牌號也越低?？梢钥闯?，在牌號較低時，國內(nèi)外硅鋼片的性能差別不大，甚至國內(nèi)的硅鋼片性能在磁密較高時優(yōu)于國外硅鋼片。但是隨著牌號的升高，國外硅鋼片損耗值開始低于國內(nèi)廠商的產(chǎn)品，如圖2所示，在1.8T時，寶鋼和武鋼的硅鋼片損耗值均大于日本新日鐵和韓國浦項的硅鋼片損耗值。

硅鋼片經(jīng)典損耗包括磁滯損耗和渦流損耗，即

(1)

式中，PFe為硅鋼片鐵損；Ph為磁滯損耗；Pe為渦流損耗；f為頻率；V為硅鋼片的體積；Bm為磁密峰值；σh為磁滯損耗系數(shù)；σe為渦流損耗系數(shù)。

硅鋼片鐵損和磁密峰值的平方成正比，硅鋼片磁化性能越好，相同磁場強度H下產(chǎn)生的Bm越大，導致鐵損值也相應地增高，所以損耗性能好的硅鋼片磁化性能不一定好。又因為損耗和頻率也有關系，頻率的變化也會對硅鋼片損耗值產(chǎn)生影響，在頻率變化條件下，鐵損不再滿足經(jīng)典的損耗計算公式，這時可產(chǎn)生磁化性能和損耗性能都好的硅鋼片。綜上所述，硅鋼片的損耗性能優(yōu)劣和磁化性能優(yōu)劣之間沒有必然的聯(lián)系。

為了分析驗證硅鋼片磁化性能和損耗值之間的關系，選取寶鋼不同型號硅鋼片樣片進行磁化曲線測量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 寶鋼3種型號取向硅鋼片產(chǎn)品Bm-Hb磁化性能曲線Fig.4 Bm-Hb magnetization curves of 3 types of silicon steel products in Baogang

圖4中，Hb表示磁通密度B取磁密峰值Bm時對應的磁場強度，因為此時-?B/?t=0，可以認為渦流近似為0，所以可以將Bm-Hb曲線近似看成硅鋼片的直流磁化曲線。測量結(jié)果顯示，取向硅鋼片磁化性能的優(yōu)劣和損耗性能的優(yōu)劣并沒有直接的對應關系。即損耗較低的取向硅鋼片材料，其磁化性能卻不一定較好，有些低損耗的取向硅鋼片材料反而磁化性能較差。

4 變壓器鐵心常用取向硅鋼片退火前后的磁性能

變壓器用取向硅鋼片在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過裁剪、沖壓和疊裝，不可避免地會產(chǎn)生內(nèi)應力，降低了硅鋼片的磁化性能，增加了鐵損[13]。為了降低這種影響，可以采取硅鋼片退火的方法來降低內(nèi)應力，為了定性分析退火對硅鋼片磁性能的影響，本文選取了一組硅鋼片進行退火處理，并對退火前后硅鋼片損耗數(shù)據(jù)和磁化性能進行了對比分析，本次測量環(huán)境溫度在24℃～30℃區(qū)間內(nèi)，頻率為50Hz，退火前后損耗測量結(jié)果如圖5、圖6和表1所示。圖6中的Bm-Hm曲線由硅鋼片各磁滯環(huán)最大B、H值所對應的點連接而成，其中Bm和Hm對應表示這條磁滯曲線的最大磁通密度和磁場強度值。這就是通常意義下的交流磁化曲線。

取向硅鋼片損耗特性的測量結(jié)果顯示，硅鋼片樣片進行退火處理后，損耗性能及磁化性能與退火前均有一定的變化。由于剪切過程中的應力及產(chǎn)生毛刺等影響，使得退火后與退火前材料性能有一定的差距。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，在頻率50Hz條件下，低磁密時，退火前后損耗差別不大；隨著磁密增加，退火前后損耗差值逐漸增大，退火后損耗最大下降約16.12%左右，在鐵磁材料接近飽和時，退火對硅鋼片損耗的影響逐漸減小。

圖5 B30P105退火前后損耗性能曲線對比Fig.5 Comparison of loss performance curves of B30P105 before and after annealing

圖6 B30P105退火前后Bm-Hm磁化性能曲線對比Fig.6 Comparison of magnetization curves of Bm-Hm before and after B30P105 annealing

Bm/TPs/(W/kg)退火前退火后退火前后差值(%)0.100.00410.0039-4.880.200.01580.0150-5.060.300.03490.0332-4.870.400.06090.0580-4.760.500.09240.0880-4.760.600.12980.1235-4.851.500.76980.7360-4.391.600.88800.8455-4.791.701.05170.9792-6.891.751.19231.0697-10.281.801.40261.2059-14.021.851.68851.4163-16.121.901.97391.7439-11.65

5 長期服役變壓器用取向硅鋼片磁性能研究

一直以來，針對變壓器老化的問題主要集中在變壓器絕緣老化問題上，很少從變壓器取向硅鋼片損耗特性和磁化特性入手分析長期服役變壓器取向硅鋼片磁特性的變化問題[14]。選取長期服役30年的400MV·A/121kV變壓器，其參數(shù)如表2所示。本文選取了變壓器不同部位共8組取向硅鋼片樣片(如圖7所示)，并將8組取向硅鋼片取樣，采用愛潑斯坦方圈磁性能測量系統(tǒng)對此8組取向硅鋼片進行了磁性能測量，同時與1988年的30ZH120、30ZH110硅鋼片樣本以及沈陽工大測量的近兩年的30ZH120材料樣本損耗數(shù)據(jù)和磁化性能數(shù)據(jù)進行對比，分析長期服役條件下磁特性的變化情況。

表2 取樣變壓器參數(shù)Tab.2 Parameters of sampling transformer

損耗測量結(jié)果如圖8和表3所示，磁化性能測量結(jié)果如圖9和表4所示?？梢钥闯觯慌_變壓器的不同部位，硅鋼片樣片的損耗曲線及磁化曲線存在一定的差異，所以通過單一的測量標準測得的硅鋼片磁性能數(shù)據(jù)并不能真實地反應硅鋼片真實工況下的磁性能，必須對現(xiàn)有的測量方法加以改進，為后續(xù)真實工況下變壓器用取向硅鋼片的磁性能測量方法的研究提供必要的數(shù)據(jù)支持。

圖8 主變不同部位與樣本損耗測量結(jié)果比較Fig.8 Comparison of measurement results of loss performance among main transformer and sample

Bm/TPs/(W/kg)主變-1#主變-2#主變-4#主變-7#30ZH120-1988樣本1.601.04441.00731.00001.03660.9574 1.701.13821.08751.08961.12301.03831.751.25881.20131.20051.24171.14071.801.43391.36111.34911.40091.27171.851.65111.55511.52941.60131.44421.901.90421.78951.75411.83901.7556

圖9 主變不同部位與樣本磁化性能測量結(jié)果比較Fig.9 Comparison of measurement results of magnetization of main transformer and samples

對比分析測量結(jié)果可知，取向硅鋼片在長時間運行之后，它的磁性能和損耗數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相比，磁性能有了明顯下降，硅鋼片鐵損有了明顯增加。

表4 主變不同位置和1988年樣本磁化性能測試數(shù)據(jù)Tab.4 Results of magnetization of main transformer and sample of 1988

6 實際工況下變壓器用取向硅鋼片磁性能研究

硅鋼片生產(chǎn)商所提供的硅鋼片磁性能數(shù)據(jù)，一般都是IEC標準規(guī)定的條件下所測得的，在變壓器實際工況下硅鋼片的磁特性會發(fā)生怎樣的變化，生產(chǎn)商并沒有提供，并且在變壓器運行過程中也不方便進行硅鋼片的磁特性測量[15]。針對實際工況下硅鋼片磁特性變化問題，本文從不同環(huán)境溫度和不同工作頻率兩方面展開相關的研究，為真實評估和計算變壓器損耗提供理論依據(jù)。

利用愛潑斯坦方圈對硅鋼片30Q120的樣片在50Hz激勵，環(huán)境溫度25℃、50℃、75℃、100℃、125℃情況下進行了損耗測量。測溫裝置如圖10所示，測量結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，環(huán)境溫度的升高，對硅鋼片的比總損耗特性影響不是很大，損耗曲線基本趨于一致。但是隨著磁密的增加，環(huán)境溫度會導致硅鋼片比總損耗出現(xiàn)略微的差異，隨著溫度升高，比總損耗在逐漸降低。究其原因，硅鋼片的損耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗，環(huán)境溫度的升高，加劇硅鋼片內(nèi)部磁疇的變化，導致?lián)p耗增加；但是溫度升高，也會導致硅鋼片的電導率下降，降低渦流損耗?？傮w來看，溫度升高會導致?lián)p耗有略微的下降，由于變壓器整體質(zhì)量較大，細微的比總損耗差異，也會給變壓器整體的損耗計算帶來影響，為了更好地對變壓器的損耗特性進行測量和仿真，需要進行不同環(huán)境溫度下硅鋼片磁特性的研究。

利用愛潑斯坦方圈對硅鋼片30Q120的樣片在25℃室溫，頻率50Hz、100Hz、200Hz、300Hz，400Hz情況下的損耗特性進行了測量，結(jié)果如圖11所示。

圖10 溫控箱中愛潑斯坦方圈Fig.10 Epstein measurements under controllable temperature conditions

Bm/TPs/(W/kg)25℃50℃75℃100℃125℃0.100.0040.0040.0040.0040.004 0.200.0160.0160.0160.0150.015 0.300.0360.0350.0340.0340.033 0.400.0620.0610.0600.0580.057 0.500.0940.0920.0910.0880.087 1.500.7780.7670.7550.7400.727 1.600.8970.8830.8720.8570.844 1.701.0581.0421.0351.0211.014 1.801.3651.3491.3431.3351.334

圖11 不同頻率下硅鋼片比總損耗測量結(jié)果Fig.11 Measurement results of specific loss of silicon steel sheet at different frequencies

可以看出，隨著施加頻率的增大，硅鋼片的比總損耗也隨著逐漸增大，單一采取50Hz工況下的硅鋼片損耗特性曲線進行變壓器設計計算，會給計算結(jié)果帶來很大的誤差。為了更好地對變壓器的損耗特性進行測量和仿真，需要進行不同工作頻率下硅鋼片磁特性的研究。

7 結(jié)論

(1)本文利用愛潑斯坦方圈測試系統(tǒng)，對市場上常用的國內(nèi)外取向硅鋼片磁性能和損耗曲線進行了測量，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外硅鋼片在低磁密時差別不大，但是在高磁密時差別逐漸增大。

(2)研究退火對電工鋼片磁性能的影響，測量結(jié)果顯示，在頻率50Hz條件下，低磁密時，退火前后損耗差別不大；隨著磁密增加，退火前后損耗逐漸增大，退火后損耗最大下降約16%左右，鐵磁材料接近飽和時，退火對硅鋼片損耗的影響逐漸減小。

(3)考察了長期運行條件下硅鋼片磁特性的變化情況，對比發(fā)現(xiàn)取向硅鋼片在長時間運行之后，磁性能有了明顯的下降，硅鋼片鐵損有了明顯的增加。

(4)對標準外不同頻率和溫度條件下的電工鋼片損耗特性進行了測量，研究發(fā)現(xiàn)實際工況下硅鋼片磁性能數(shù)據(jù)會發(fā)生改變，采用實際工況下硅鋼片磁性能數(shù)據(jù)，會使損耗計算結(jié)果更接近測量實際值，所得實驗結(jié)果對變壓器設計計算具有指導意義。