林建坤 宋文樂 王 磊 詹花茂 羅文博 李文翰,3 古凌云 李雪松 薛志勇

(1、華北電力大學(xué),北京102206 2、國網(wǎng)河北省電力有限公司滄州供電分公司,河北 滄州061001 3、華北電力大學(xué)揚(yáng)中智能電氣研究中心,江蘇 揚(yáng)中212200 4、中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京100192)

變壓器是電力輸配中最關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn), 連接電網(wǎng)各環(huán)節(jié)。然而,在輸、配電過程中,變壓器存在較大的電力損耗,目前電網(wǎng)傳輸中60%電量損耗是由變壓器引起的[1],由此造成了嚴(yán)重的電量浪費(fèi),在能源綠色化的趨勢下,升級改造變壓器意義重大。

硅鋼變壓器鐵心的空載損耗較高,導(dǎo)致大量電量的無效浪費(fèi)。隨著新材料開發(fā)和制備技術(shù)取得關(guān)鍵進(jìn)展,非晶合金帶材得到快速發(fā)展和應(yīng)用。鐵基非晶合金的優(yōu)點(diǎn)有:高磁導(dǎo)率,低空載損耗(可使空載損耗降低4 倍或更多[2])。因此鐵基非晶是繼冷軋晶粒取向硅鋼片后的新一代變壓器材料。

第一臺(tái)非晶配電變壓器于1982 年問世[3]。后來,美國、日本等發(fā)達(dá)國家在電網(wǎng)中應(yīng)用的非晶變壓器的數(shù)量逐步快速增加。

我國改革開放后電力行業(yè)的迅猛發(fā)展,目前我國非晶合金變壓器已占總掛網(wǎng)運(yùn)行800 萬臺(tái)變壓器的7-8%。從節(jié)能角度考慮,若更換目前在網(wǎng)的15%變壓器為非晶合金變壓器,每年可節(jié)電約50 億千瓦時(shí),同時(shí)間接減少CO2排放量500 萬噸。

然而,非晶合金鐵心存在一些問題,制約了非晶合金鐵心及其變壓器的發(fā)展:

(1)非晶合金脆性大,脆性導(dǎo)致帶材的剪切和加工較困難,若產(chǎn)生碎屑易導(dǎo)致變壓器故障。

(2)非晶合金耐受應(yīng)力能力較差,其卷繞而成的鐵心結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在發(fā)生突然短路事故時(shí)抵抗能力差,易發(fā)生災(zāi)難性破壞。

分析鐵基非晶合金變壓器運(yùn)行過程中存在的問題是改善非晶合金變壓器長效、安全、可靠運(yùn)行的前提。本文針對鐵基非晶合金變壓器存在的主要問題進(jìn)行總結(jié)和分析,同時(shí)對問題的產(chǎn)生原因、機(jī)理和解決途徑進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 非晶合金鐵心脆性問題分析

1.1 非晶合金脆性原因

一方面,從凝固過程來看,非晶合金在凝固過程中金屬原子來不及進(jìn)入能量穩(wěn)定的有序排列,而呈現(xiàn)出類似于液態(tài)熔液原子的無序狀態(tài)[4],在常規(guī)應(yīng)變速率的作用下,只有局域的原子發(fā)生劇烈變形且不易滑移,形成局域的剪切帶,并很快地轉(zhuǎn)變形成裂紋,最終導(dǎo)致脆性斷裂[5]。

另一方面,對于非晶帶材,脆性差還因工藝所致。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的磁性能,非晶鐵心的制備一般需要退火熱處理。熱處理過程發(fā)生顯著的結(jié)構(gòu)弛豫,內(nèi)部原子產(chǎn)生局域擴(kuò)散和重排,使得材料脆性增大。脆性大使得材料在使用中會(huì)形成碎屑,有可能成為安全隱患[5]。因此非晶合金脆性問題亟待改善。

圖1(a)為非晶合金的剪切帶形貌,低密度的剪切帶是非晶合金塑性差的一個(gè)重要原因；圖1(b)所示的是鐵基非晶合金薄帶拉伸斷口形貌,斷口非常平整,斷面與拉伸方向成45°夾角,為顯著的脆性斷裂[6]。

圖1

1.2 非晶合金脆性改善措施

1.2.1 優(yōu)化非晶合金成分及結(jié)構(gòu)。工業(yè)應(yīng)用的非晶合金成分主要是Fe-Si-B 系列。調(diào)整Si-B 含量及比例可以改善材料的脆性[7],例如,經(jīng)過成分優(yōu)化,Fe80B12Si8 合金非晶形成能力和脆性有較大改善。另一方面,Si-B 的比例增加致使脆化溫度上升,有利于非晶合金的退火熱處理,減小非晶鐵心熱處理后的脆性。Nb 以及Dy 等稀土元素也能一定程度上提高非晶形成能力,但是對脆性的影響較小。

相較于合金成分,非晶合金結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對其脆性的影響更大。汪衛(wèi)華院士提出了尋找具有大塑性和韌性的非晶合金的泊松比判據(jù)[5]。Lewandowski 等人通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出非晶合金韌脆轉(zhuǎn)變對應(yīng)的泊松比在0.31-0.32 之間[8]。Johnson 等人提出通過增加第二相增加非晶合金塑性[5]。一方面,第二相的增加可以限制剪切帶的發(fā)展,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大的塑性變形。另一方面,第二相可以作為剪切帶的誘發(fā)點(diǎn),產(chǎn)生更多的剪切帶,參與塑性變形的非晶相體積分?jǐn)?shù)增加,耗散更多彈性能,引起大的塑性變形量。通過改善組織或者表面處理以提高非晶材料塑性:缺陷或表面處理產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力都可以對剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展產(chǎn)生限制作用,達(dá)到耗散能量提高塑性的效果[5]。

1.2.2 優(yōu)化退火熱處理工藝。快速加熱退火效應(yīng)能抑制非晶帶材結(jié)構(gòu)缺陷的變化,推遲韌- 脆轉(zhuǎn)化,使合金經(jīng)磁性改善退火后仍具有足夠的變形能力,增強(qiáng)非晶帶材退火后的韌性[9]。例如,采用施加電流脈沖加熱的方式對Fe79B16Si5非晶合金進(jìn)行退火熱處理試驗(yàn),在瞬間將非晶條帶加熱到673K,處理后的非晶帶材脆性得到顯著改善,韌性明顯優(yōu)于常規(guī)退火帶材[9]。

1.2.3 優(yōu)化鐵基非晶合金帶材厚度。從非晶形成能力和帶材脆性角度考慮,軟磁鐵基非晶合金的發(fā)展方向之一是開發(fā)更薄的非晶帶材。R. Gerling 和R. Wagner 研究Fe40Ni40B20合金帶材發(fā)現(xiàn)帶材厚度降低到一定程度時(shí),可以使得脆化溫度高于退火溫度,在保持有效退火處理的同時(shí)減少退火脆化的產(chǎn)生[10]。

2 非晶合金變壓器抗突短性能問題分析

2.1 變壓器突發(fā)短路問題

變壓器突發(fā)短路沖擊后損壞幾率大增,已占全部損壞事故的40%以上[11]。

突發(fā)短路時(shí),變壓器繞組失穩(wěn)嚴(yán)重。變壓器在遭受突發(fā)短路時(shí)將產(chǎn)生比穩(wěn)態(tài)短路大20-30 倍的沖擊電流,同時(shí)電磁力是正常運(yùn)行時(shí)的400-900 倍,作用在繞組上的輻向力將使高壓繞組受到張力,低壓繞組受到壓力[12],引發(fā)安全事故,甚至造成繞組或變壓器的永久性損壞。

非晶變壓器由于鐵心截面為矩形,在突發(fā)短路時(shí)非晶鐵心遭受電磁力影響使得受力不均,受力過大區(qū)域極易產(chǎn)生碎片,碎片容易進(jìn)入絕緣區(qū)域,嚴(yán)重時(shí)可對變壓器造成災(zāi)難性打擊。

2.2 抗突發(fā)短路性能改善措施

2.2.1 近圓形鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。近圓形截面設(shè)計(jì)采用多層迭片組設(shè)計(jì),呈上下對稱狀,由中間至兩端迭片組厚度遞減,使其截面呈現(xiàn)與框架同心的近圓狀近圓狀鐵心設(shè)計(jì)搭配圓形框架,使鐵心在突發(fā)短路狀況發(fā)生時(shí),可以均勻的承受電動(dòng)力的沖擊。同時(shí)近圓形的鐵心繞組相較于矩形鐵心繞組,更利于抵抗突發(fā)短路時(shí)的失穩(wěn)狀況。

2.2.2 采用立體卷鐵心工藝。立體卷鐵心是在卷鐵心的基礎(chǔ)上,將三個(gè)相同的鐵心在空間上互成120°緊密拼合成。

立體卷鐵心采用三框立體排布,相比于傳統(tǒng)非晶合金變壓器的四框五柱式排布減少了一個(gè)框架,節(jié)約1/4 的材料,降低生產(chǎn)成本。同時(shí),立體架構(gòu)的三個(gè)鐵心相互支撐,形成穩(wěn)固的三角結(jié)構(gòu),極大提高了鐵心的耐沖擊性能,增強(qiáng)了突發(fā)短路狀況時(shí)變壓器的抵抗能力。傳統(tǒng)的疊鐵心變壓器的三個(gè)心柱呈平面排列,各心柱的磁路長短不同,性能差異明顯,從而造成三相不平衡。而立體卷鐵心變壓器的三個(gè)心柱呈等邊三角形的立體排列,三個(gè)磁路長度一致、三相平衡、穩(wěn)定性好。

2.2.3 增加固定結(jié)構(gòu)。變壓器內(nèi)繞組應(yīng)采用高強(qiáng)度玻璃纖維筒或鋼筒作為繞組支撐,增大玻璃鋼內(nèi)側(cè)倒圓半徑,提高內(nèi)繞組輻向穩(wěn)定性。繞組采用獨(dú)立軸向承重壓緊結(jié)構(gòu),通過上下夾件及壓板壓緊,將鐵心和繞組受力分離,互不干擾。繞組端部采用高強(qiáng)度層壓木或?qū)訅杭埌鍓壕o(支撐)線圈,同時(shí)增加高、低壓繞組的軸向壓緊面積,并采用一定強(qiáng)度的夾件,將上下壓板和繞組緊緊壓裝在一起,確保繞組充分壓緊,提高抗短路能力[13]。

3 結(jié)論

本文結(jié)合非晶合金變壓器的發(fā)展及相關(guān)研究,針對改善非晶合金變壓器存在的問題總結(jié)如下:

3.1 調(diào)整非晶合金成分,例如改變Si、B 含量及比例,可以提高脆化溫度,進(jìn)而改善退火時(shí)非晶合金脆性；優(yōu)化第二相、增大泊松比等方法可以抑制剪切帶的形成與發(fā)展,有效增加材料塑性。

3.2 優(yōu)化非晶合金鐵心結(jié)構(gòu),例如采用近圓形截面鐵心以及立體卷繞方式設(shè)計(jì)鐵心,提高抗突短能力。