溫度對(duì)取向硅鋼磁性能的影響

武衛(wèi)革，劉 濤，范亞娜，韓貴勝

(保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電力變壓器正常使用條件中規(guī)定的最高環(huán)境溫度是+40℃，鐵心的最高溫升是80 K，這表明變壓器的鐵心溫度可以工作在120℃。［1］但是硅鋼片廠家提供的磁性能參數(shù)，如鐵損和磁化曲線，通常是在室溫條件下測(cè)量得到的，與變壓器實(shí)際運(yùn)行溫度下的電磁性能有一定的誤差，這樣就會(huì)對(duì)變壓器的數(shù)字仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響。

愛(ài)潑斯坦方圈作為一種測(cè)量硅鋼片帶磁性能的標(biāo)準(zhǔn)方法，具有測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性好、制作簡(jiǎn)單、無(wú)需重復(fù)繞制勵(lì)磁繞組和測(cè)量繞組等優(yōu)點(diǎn)［2］。本文將25 cm愛(ài)潑斯坦方圈置于高低溫試驗(yàn)箱中，分別測(cè)試 25、50、75、100、125 ℃ 下硅鋼片的 30Q120 磁性能參數(shù)，并分析了不同環(huán)境溫度下取向硅鋼片的磁性能變化規(guī)律，為變壓器進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

愛(ài)潑斯坦方圈由初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和待測(cè)量的硅鋼片式樣作為鐵心組成，形成了一個(gè)空載變壓器［3］。實(shí)驗(yàn)用硅鋼片牌號(hào)為30Q120，剪切方向與軋制方向夾角為0，樣片尺寸為30 mm×300 mm，測(cè)試頻率為50 Hz。為保證測(cè)試電源穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用UPS電源。實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Tab.1 Experiment equipments

2 結(jié)果與分析

不同溫度下鐵損變化率如圖1所示。不同溫度下的鐵損變化率可定義為［4］

式中:Wt為硅鋼片在 t溫度下(t=50，75，100，125)的鐵損;W25為硅鋼片在25℃的鐵損;W表示t溫度下的鐵損相對(duì)于25℃鐵損的變化率。

圖1 不同溫度下鐵損變化率Fig.1 Iron loss change rate under different temperature

從圖1中可以看到，隨著溫度升高，硅鋼片的鐵損在降低。125℃相對(duì)于25℃時(shí)鐵損變化率最大可以達(dá)到－8.6%

溫度變化對(duì)導(dǎo)磁率的影響如圖2所示［5－6］。

圖2 溫度對(duì)導(dǎo)磁率的影響Fig.2 Effect of temperature on permeability

從圖2可以看出，在磁感應(yīng)強(qiáng)度小于1.4T情況下，隨著溫度的升高，導(dǎo)磁率在增大;在磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1.4T情況下，隨著溫度的升高，導(dǎo)磁率減小。從圖2(b)還可以看出，高磁密(如:1.7T)下磁導(dǎo)率對(duì)溫度的變化率要大于低磁密(如:0.5T)下導(dǎo)磁率對(duì)溫度的變化率。這說(shuō)明在高磁密下溫度對(duì)導(dǎo)磁率的影響更大一些。

25、75、125℃下的B－H曲線如圖3所示。

圖3 25℃，75℃，125℃下的B－H 曲線Fig.3 B －H curves at 25，75 and 125 Centigrade

從圖3中可以看出，當(dāng)H小于50 A/m時(shí)，不同溫度下的B－H曲線基本重合;當(dāng)H大于50 A/m時(shí)，隨著溫度的升高，相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)減小。這說(shuō)明當(dāng)溫度升高時(shí)，硅鋼片的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)降低。

溫度變化對(duì)矯頑力的影響如圖4所示。

圖4 溫度對(duì)矯頑力的影響Fig.4 Effect of temperature on coercivity

從圖4可以看出，隨著溫度的升高，矯頑力在減小。

不同溫度下剩磁變化率如圖5所示。

圖5 不同溫度下剩磁變化率Fig.5 Remanence change rate under different temperature

不同溫度下的鐵損變化率可定義為

式中:Br(t)為硅鋼片在 t溫度下(t=50，75，100，125℃)的剩磁;Br(25)為硅鋼片在25℃的剩磁;Br表示t溫度下的剩磁相對(duì)于25℃剩磁的變化率。從圖5可以看到，溫度為125℃時(shí)，剩磁變化率在0.1 T時(shí)達(dá)到正向最大值2%，在0.6 T時(shí)達(dá)到負(fù)向最大值－2%。其他溫度環(huán)境對(duì)剩磁的影響都在±2%范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

1)隨著溫度升高，硅鋼片的鐵損在降低。

2)在磁感應(yīng)強(qiáng)度小于1.4 T情況下，隨著溫度的升高，導(dǎo)磁率增大;在磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1.4 T情況下，隨著溫度的升高，導(dǎo)磁率減小，而且在高磁密下溫度對(duì)導(dǎo)磁率的影響更大一些。

3)當(dāng)H小于50 A/m時(shí)，不同溫度下的B－H曲線基本重合;當(dāng)H大于50 A/m時(shí)，隨著溫度的升高，硅鋼片的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)降低。

4)隨著溫度的升高，矯頑力在減小。

5)溫度對(duì)剩磁的影響在2%范圍之內(nèi)。

［1］ 謝毓城.電力變壓器手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.XIE Yucheng.Handbook of power transformer［M］.Beijing:Mechanical Industry Press，2003.

［2］ 程志光，高橋則雄，博札德.弗甘尼，等.電氣工程電磁熱場(chǎng)模擬與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.CHENG Zhiguang，TAKAHASHI N，F(xiàn)ORGHANI B，et al.Electromagnetic and thermal field modelling and application in electrical engineering［M］.Beijing:Science Press，2009.

［3］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 3655—2008用愛(ài)潑斯坦方圈測(cè)量電工鋼片(帶)磁性能的方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4］ NAKAOKA M，F(xiàn)UKUMA A，NAKAYA H，et al.Examination of temperature characteristics of magnetic properties using a single sheet tester［J］.Trans.IEE of Japan，2005，125(1):63 －68.

［5］ TAKAHASHI N，MORISHITA M.Examination of magnetic properties of magnetic materials at high temperature using a ring specimen［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(2):548－551.

［6］ KAGIMOTO H ，MIYAGI D.Effect of temperature dependence of magnetic properties on heating characteristics of induction heater［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(8):3018－3021.