浅谈对变压器铁心片及其空载损耗的认识

daguang

一、        硅钢片的化学成分及其各种性能
  i, f6 C9 `) |+ V; r变压器的工作原理是基于电磁感应，由原边交变的电流产生交变的磁通，从而在副边感应出感应电势，达到能量传输的目的。

1、硅钢片的成分
冷轧硅钢片中的化学成分的质量分数分别为3％～5％的硅、0.06％的碳、0.15％的锰、0.03％的磷、0.25％的硫。铝的质量分数约为硅质量分数的1.7倍，其余为铁。这些元素在硅钢片中的作用分别是：
2 Z$ T# @* E0 v0 [2 \2 S①        碳：会增大钢板的磁滞损耗，故应减少含量。
②        硅：可以减小碳的不良作用，及减少磁滞损耗，同时又可以提高磁导率和电阻率，延长因长期使用带来的磁性变坏的老化作用。且随着硅含量的增加，钢的电阻率增大，但强度和硬度也增加，材料容易发脆，从而增加的加工的难度。
(硅含量过高会使磁密过饱和)
" \+ F9 @# P- h6 ]* g③        硫：会使硅钢片产生热脆，增加磁滞损耗，同时又可以导致晶粒细化，降低磁通密度。
* c  F# }) g3 p* B( n6 E8 Q+ F# Z2 ]④        锰：能促使钢中产生相变，对脱硫和脱碳不利，因而导致磁密降低。
6 D4 E9 B) D2 o2 `4 f   钢中存在的杂质元素都是非磁性或弱磁性物质，它们的存在会造成晶格歪曲、错位，空位和内应力，应而磁化困难。
- P/ M, U2 d0 h# Z# Z
2、硅钢片的性能
  Z8 d: t- K$ z: g* K硅钢片按轧制方法可分为热轧和冷轧两种，按硅钢片晶粒取向可分为取向和无取向硅钢片，我们现在使用的30Q110~30Q130及35Q135均为冷扎取向硅钢片。在硅钢片加工时产生的机械内应力会对晶粒取向有所破坏，从而导致其磁导率下降，铁损增大，退火可消除内应力恢复硅钢片的磁性能。试验表明同种型号、规格的材料做成的变压器退火可比不退火降低空载损耗5％～10％，空载电流15％～30％。而采用先进的工艺工装方法可无需进行退火处理，而我公司现在对旧硅钢片采取人工的加工方法对其性能破坏较大故需进行退火。
! N" k* ]3 m# i5 u$ Y0 R从图1.1可以看出，沿晶体棱边方向(a)是最容易磁化的，沿面对角线(b)次之，沿体对角线方向(c)最难磁化。冷轧取向硅钢片中，各晶体的所有的四个棱与轧制方向相同，有两个面对角线与轧制方向垂直。所以在这种硅钢片中，沿轧制方向最易磁化，沿垂直于轧制方向次之，而沿于轧制方向成55•角的方向最难磁化。在我公司中即沿纵剪方向最易磁化，横剪方向次之，沿硅钢片体对角线最难磁化，这也是硅钢片厚度要薄的原因之一，缩短体对角线的距离，减少磁化难度。

: }) N. z' G& l4 P( s3、硅钢片的绝缘层
铁心片涂漆，是在铁心表面涂盖一层坚实的、具有绝缘电阻的薄漆膜。铁心片涂漆不仅可以减少铁心涡流和边缘泄漏电流引起的附加损耗，而且可以使铁心表面与空气隔绝，表面金属表面氧化或腐蚀影响铁心的电磁性能。冷轧硅钢片的表面的涂层应能够经受去应力退火，并耐绝缘漆、变压器油、机油等侵蚀，附着性良好。我公司现在选用的武钢30Q110~30Q130、35Q135硅钢片，其表面涂有有一层玻璃底层和一层称作T2或T1的无机质灰色涂层，绝缘性好，在无氧化气氛中，能够经受800摄氏度的去应力退火。与美国ASTM的F5涂层、日本新日铁的S涂层等相接近。
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二、        变压器的空载损耗

' r, y4 Q& a1 [" Y1.        变压器空载损耗的组成
通常变压器的空载损耗主要包括铁磁材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗这三个部分。
! M5 e: `6 ^& }2 A2 N& `5 @- z① 磁滞损耗
磁滞损耗是铁磁材料在反复交变磁化过程中由于磁滞现象产生的，磁滞损耗的大小与磁滞回线面积成正比。微观地看磁滞损耗与硅钢片内部的结晶方位、结晶纯度、内部晶粒的畸变等因素有关。其计算公式如下
                  PC＝C1*B2*f*V
" s3 M' _: W' w' T1 I式中，C1―由硅钢片材料特性所决定的系数（与铁芯导磁率、密度等有关）；
, J5 _" {4 y' L( z$ bB―交变磁通的最大磁密；
f－频率；
! J' v" S$ i; q/ \- H1 @& ~, M: pV－铁磁材料总体积。
②涡流损耗
# A9 C3 a9 d/ w* r0 P" l 由于铁芯本身为金属导体，所以由于电磁感应现象产生的感生电势将在铁芯内产生环流，即为涡流，而铁芯本身也存在电阻，故引起的损耗为涡流损耗。经典涡流损耗的计算公式如下：
                      PW＝C2*B2*f2*V
式中，C2―由硅钢片材料特性和厚度所决定的系数
  ?& s. m5 f4 k' d, Y" d/ }B―最大磁密；
f－频率；
V－铁磁材料总体积。
( g( F. C4 [8 q/ y2 r# n由于上式中的系数C2和硅钢片的电阻率有密切关系，实质上也放映了材料性质及厚度对涡流损耗的影响。关于经典涡流损耗还有如下计算公式：
% b+ o9 h( o4 y7 M. R  PW＝(C3*B2*f2*t2)/p
式中，C3―决定于材料性质的系数
5 g) y2 V0 w  T- t7 h5 qt―硅钢片厚度；
) p* Z( n8 S( P' r0 Lp－硅钢片的电阻率。
③异常涡流损耗
异常涡流损耗也是附加损耗的一部分，一般认为它与硅钢片内部磁区的大小（结晶粒的大小）以及硅钢片表面的涂层的弹性张力有关，其大小可用如下公式计算：
" V8 i2 r1 N( U% P  Pf＝(C4*B2*v2*t)/p
式中，C4―由硅钢片材料特性所决定的常数
B―饱和磁通磁密；
( `5 r3 k$ e  Zt―硅钢片厚度；
p－硅钢片的电阻率；
, ~4 n. l1 M) w  vv－交变磁化时硅钢片内磁壁的移动速度。

2.降低空载损耗的工艺改进
a.采用混叠降低空损法
由于铁心中的磁通分布并不均匀，中心部分的磁通密度低于额定值，边缘部分的磁密高于额定值，越靠外侧磁通密度越高。降低铁损的方法之一就是使铁心各部分的磁密分布均匀。采用变更叠片数的方法，可以调整磁路的磁阻，从而调节磁密的分布。中间部分磁密偏低，采用一张一叠后磁阻降低，使磁密增加，外侧磁密偏高，采用三张一叠，磁阻增加，使磁密减小。
' u; ]& |) I7 A) q5 u5 y具体的做法可采用混叠的叠法，即对铁心的总厚度约1/3的中心部分（主级）一张一叠，接下来的1/3两片一叠，最靠外的1/3三张一叠，总的叠装工作量不会增加太多。但试验表明其较两片叠比较铁损可降低3％，空载电流降低5％。
. p9 P4 l' R% H, J8 H; e
b.阶梯接缝及其应用
7 E  ^1 H$ g6 u2 J' C4 D: E 由于磁阻大的地方铁损大，温度高，磁阻小的地方铁损小，温度低，因此为保证铁心温度来采取降低铁损来设计，会导致铁心片用量的增加。但通过调整叠片方式来达到磁场匀化，如让铁心片的接缝向上下、左右方向错开，及使其接缝与接缝不在同一个“截面”，来达到降低铁损，保证局部温升有较明显的效果。
! x2 S, o7 J  p) R$ b为了了解磁通在各级阶梯的状况，我们分析一下2级和3级的磁通分布。我们讨论一下其相邻的铁心片的磁密BG的大小和磁力线横向穿越的次数N。如下图所示，


* o0 k8 ~  l% [- |* v

假设其磁密相等即每层铁心片中的磁通用一条磁力线表示，单位面积的磁通就是磁密，所以一条磁力线也表示整个铁心接缝处的磁密BC。若忽略叠片缺角减少接缝的长度，则接缝处接面为铁心接面的20.5倍，故铁心磁密B=20.5BG。再由下图（a）接缝气隙处相邻铁心片的磁力线为2条，所以
, S/ X6 B5 \* W4 ~( F9 k                  BG＝2BG＝1.414B
' I9 `& V2 s, O; V8 j3 C5 O% O由下图（b）接缝气隙相邻铁心片的磁力线为1.5条，所以
4 }; r9 y5 l) R; q5 q3 k, ?                      BG＝1.5BG＝1.06B
以每个阶梯组为研究对象，查看每层铁心片的磁力线穿越气隙的次数N。按一条磁力线通过铁心片界面一次,半条磁力线穿越两次算一次计算，则通过图（a）接缝每一层铁心片界面的磁力线为4次半条，所以
                  N=(1/2)X4=2
4 l4 q+ u& b! t通过图（b）接缝每3层铁心片界面的磁力线为6次半条，2次一条，所以
1 B  y4 s& ~3 E4 vN=【(1/2)X6＋2】/3=1.67
  用同样的方法，对4、5、6、7、8、9级阶梯接缝铁心进行分析，可得出如下表所示数据：

" d4 q& d7 q3 {0 C+ W" Q2 p表一   多级阶梯接缝处磁性能数据
* S! G0 {, v9 h级数        2        3        4        5        6        7        8        9
接缝磁密/心柱磁密级数        1.41        1.06        0.94        0.88        0.85        0.82        0.81        0.81
& ^- A# d3 ?, x0 e+ O$ `; U降低（％）        0        25        33        38        40        41.8        42.6        42.6
% f$ \7 f) O) L3 p+ z穿越次数        2        1.67        1.5        1.4        1.33        1.28        1.23        1.20
降低（％）        0        16.5        25        30        34        36        38.5        40
从表可以看出，级数愈多铁心接缝处的磁性能改善愈充分，但随着级数的增加其效果就慢慢变得不显著，且工作量会加大较多。一般采用5～6级的阶梯接缝即可,主要因为5阶梯只比3阶梯增加中柱一种片行加工方便。如30Q130硅钢片采用5阶梯接缝比普通交错接缝空载损耗降低6％～8％，空载电流降低40％，噪声可降低2～7dB。
: t/ a, L; {% _; w以上仅是我个人对变压器铁心方面的理解和认识，由于水平有限，不足和错误之处在所难免，肯请大家批评指正！

yufr

支持！

tianchengfeng

高磁密,高损耗,铁心还易饱和,所以应尽量降低铁心磁密,但会增加铁心总量,造价上升.

aerialwave

支持

nbxinqi261

为什么总是要我先回复才能看啊，好麻烦啊