非晶配電變壓器存在問題及改善措施

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

變壓器是電力輸配中最關鍵的節點, 連接電網各環節。然而,在輸、配電過程中,變壓器存在較大的電力損耗,目前電網傳輸中60%電量損耗是由變壓器引起的[1],由此造成了嚴重的電量浪費,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,導致大量電量的無效浪費。隨著新材料開發和制備技術取得關鍵進展,非晶合金帶材得到快速發展和應用。鐵基非晶合金的優點有:高磁導率,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。

第一臺非晶配電變壓器于1982 年問世[3]。后來,美國、日本等發達國家在電網中應用的非晶變壓器的數量逐步快速增加。

我國改革開放后電力行業的迅猛發展,目前我國非晶合金變壓器已占總掛網運行800 萬臺變壓器的7-8%。從節能角度考慮,若更換目前在網的15%變壓器為非晶合金變壓器,每年可節電約50 億千瓦時,同時間接減少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展:

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

(2)非晶合金耐受應力能力較差,其卷繞而成的鐵心結構不穩定,在發生突然短路事故時抵抗能力差,易發生災難性破壞。

分析鐵基非晶合金變壓器運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行總結和分析,同時對問題的產生原因、機理和解決途徑進行詳細闡述。

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入能量穩定的有序排列,而呈現出類似于液態熔液原子的無序狀態[4],在常規應變速率的作用下,只有局域的原子發生劇烈變形且不易滑移,形成局域的剪切帶,并很快地轉變形成裂紋,最終導致脆性斷裂[5]。

另一方面,對于非晶帶材,脆性差還因工藝所致。為實現優異的磁性能,非晶鐵心的制備一般需要退火熱處理。熱處理過程發生顯著的結構弛豫,內部原子產生局域擴散和重排,使得材料脆性增大。脆性大使得材料在使用中會形成碎屑,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 優化非晶合金成分及結構。工業應用的非晶合金成分主要是Fe-Si-B 系列。調整Si-B 含量及比例可以改善材料的脆性[7],例如,經過成分優化,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,非晶合金結構的優化對其脆性的影響更大。汪衛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[5]。Lewandowski 等人通過大量的數據統計分析得出非晶合金韌脆轉變對應的泊松比在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展,進而實現大的塑性變形。另一方面,第二相可以作為剪切帶的誘發點,產生更多的剪切帶,參與塑性變形的非晶相體積分數增加,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:缺陷或表面處理產生的內應力都可以對剪切帶的產生與發展產生限制作用,達到耗散能量提高塑性的效果[5]。

1.2.2 優化退火熱處理工藝。快速加熱退火效應能抑制非晶帶材結構缺陷的變化,推遲韌- 脆轉化,使合金經磁性改善退火后仍具有足夠的變形能力,增強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非晶合金進行退火熱處理試驗,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,韌性明顯優于常規退火帶材[9]。

1.2.3 優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展方向之一是開發更薄的非晶帶材。R. Gerling 和R. Wagner 研究Fe40Ni40B20合金帶材發現帶材厚度降低到一定程度時,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減少退火脆化的產生[10]。

2 非晶合金變壓器抗突短性能問題分析

2.1 變壓器突發短路問題

變壓器突發短路沖擊后損壞幾率大增,已占全部損壞事故的40%以上[11]。

突發短路時,變壓器繞組失穩嚴重。變壓器在遭受突發短路時將產生比穩態短路大20-30 倍的沖擊電流,同時電磁力是正常運行時的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,在突發短路時非晶鐵心遭受電磁力影響使得受力不均,受力過大區域極易產生碎片,碎片容易進入絕緣區域,嚴重時可對變壓器造成災難性打擊。

2.2 抗突發短路性能改善措施

2.2.1 近圓形鐵心結構設計。近圓形截面設計采用多層迭片組設計,呈上下對稱狀,由中間至兩端迭片組厚度遞減,使其截面呈現與框架同心的近圓狀近圓狀鐵心設計搭配圓形框架,使鐵心在突發短路狀況發生時,可以均勻的承受電動力的沖擊。同時近圓形的鐵心繞組相較于矩形鐵心繞組,更利于抵抗突發短路時的失穩狀況。

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上,將三個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,相比于傳統非晶合金變壓器的四框五柱式排布減少了一個框架,節約1/4 的材料,降低生產成本。同時,立體架構的三個鐵心相互支撐,形成穩固的三角結構,極大提高了鐵心的耐沖擊性能,增強了突發短路狀況時變壓器的抵抗能力。傳統的疊鐵心變壓器的三個心柱呈平面排列,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心柱呈等邊三角形的立體排列,三個磁路長度一致、三相平衡、穩定性好。

2.2.3 增加固定結構。變壓器內繞組應采用高強度玻璃纖維筒或鋼筒作為繞組支撐,增大玻璃鋼內側倒圓半徑,提高內繞組輻向穩定性。繞組采用獨立軸向承重壓緊結構,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。繞組端部采用高強度層壓木或層壓紙板壓緊(支撐)線圈,同時增加高、低壓繞組的軸向壓緊面積,并采用一定強度的夾件,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 結論

本文結合非晶合金變壓器的發展及相關研究,針對改善非晶合金變壓器存在的問題總結如下:

3.1 調整非晶合金成分,例如改變Si、B 含量及比例,可以提高脆化溫度,進而改善退火時非晶合金脆性；優化第二相、增大泊松比等方法可以抑制剪切帶的形成與發展,有效增加材料塑性。

3.2 優化非晶合金鐵心結構,例如采用近圓形截面鐵心以及立體卷繞方式設計鐵心,提高抗突短能力。