非晶配电变压器存在问题及改善措施

林建坤 宋文乐 王 磊 詹花茂 罗文博 李文翰,3 古凌云 李雪松 薛志勇

(1、华北电力大学,北京102206 2、国网河北省电力有限公司沧州供电分公司,河北 沧州061001 3、华北电力大学扬中智能电气研究中心,江苏 扬中212200 4、中国电力科学研究院有限公司,北京100192)

变压器是电力输配中最关键的节点, 连接电网各环节。然而,在输、配电过程中,变压器存在较大的电力损耗,目前电网传输中60%电量损耗是由变压器引起的[1],由此造成了严重的电量浪费,在能源绿色化的趋势下,升级改造变压器意义重大。

硅钢变压器铁心的空载损耗较高,导致大量电量的无效浪费。随着新材料开发和制备技术取得关键进展,非晶合金带材得到快速发展和应用。铁基非晶合金的优点有:高磁导率,低空载损耗(可使空载损耗降低4 倍或更多[2])。因此铁基非晶是继冷轧晶粒取向硅钢片后的新一代变压器材料。

第一台非晶配电变压器于1982 年问世[3]。后来,美国、日本等发达国家在电网中应用的非晶变压器的数量逐步快速增加。

我国改革开放后电力行业的迅猛发展,目前我国非晶合金变压器已占总挂网运行800 万台变压器的7-8%。从节能角度考虑,若更换目前在网的15%变压器为非晶合金变压器,每年可节电约50 亿千瓦时,同时间接减少CO2排放量500 万吨。

然而,非晶合金铁心存在一些问题,制约了非晶合金铁心及其变压器的发展:

(1)非晶合金脆性大,脆性导致带材的剪切和加工较困难,若产生碎屑易导致变压器故障。

(2)非晶合金耐受应力能力较差,其卷绕而成的铁心结构不稳定,在发生突然短路事故时抵抗能力差,易发生灾难性破坏。

分析铁基非晶合金变压器运行过程中存在的问题是改善非晶合金变压器长效、安全、可靠运行的前提。本文针对铁基非晶合金变压器存在的主要问题进行总结和分析,同时对问题的产生原因、机理和解决途径进行详细阐述。

1 非晶合金铁心脆性问题分析

1.1 非晶合金脆性原因

一方面,从凝固过程来看,非晶合金在凝固过程中金属原子来不及进入能量稳定的有序排列,而呈现出类似于液态熔液原子的无序状态[4],在常规应变速率的作用下,只有局域的原子发生剧烈变形且不易滑移,形成局域的剪切带,并很快地转变形成裂纹,最终导致脆性断裂[5]。

另一方面,对于非晶带材,脆性差还因工艺所致。为实现优异的磁性能,非晶铁心的制备一般需要退火热处理。热处理过程发生显著的结构弛豫,内部原子产生局域扩散和重排,使得材料脆性增大。脆性大使得材料在使用中会形成碎屑,有可能成为安全隐患[5]。因此非晶合金脆性问题亟待改善。

图1(a)为非晶合金的剪切带形貌,低密度的剪切带是非晶合金塑性差的一个重要原因；图1(b)所示的是铁基非晶合金薄带拉伸断口形貌,断口非常平整,断面与拉伸方向成45°夹角,为显著的脆性断裂[6]。

图1

1.2 非晶合金脆性改善措施

1.2.1 优化非晶合金成分及结构。工业应用的非晶合金成分主要是Fe-Si-B 系列。调整Si-B 含量及比例可以改善材料的脆性[7],例如,经过成分优化,Fe80B12Si8 合金非晶形成能力和脆性有较大改善。另一方面,Si-B 的比例增加致使脆化温度上升,有利于非晶合金的退火热处理,减小非晶铁心热处理后的脆性。Nb 以及Dy 等稀土元素也能一定程度上提高非晶形成能力,但是对脆性的影响较小。

相较于合金成分,非晶合金结构的优化对其脆性的影响更大。汪卫华院士提出了寻找具有大塑性和韧性的非晶合金的泊松比判据[5]。Lewandowski 等人通过大量的数据统计分析得出非晶合金韧脆转变对应的泊松比在0.31-0.32 之间[8]。Johnson 等人提出通过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带的发展,进而实现大的塑性变形。另一方面,第二相可以作为剪切带的诱发点,产生更多的剪切带,参与塑性变形的非晶相体积分数增加,耗散更多弹性能,引起大的塑性变形量。通过改善组织或者表面处理以提高非晶材料塑性:缺陷或表面处理产生的内应力都可以对剪切带的产生与发展产生限制作用,达到耗散能量提高塑性的效果[5]。

1.2.2 优化退火热处理工艺。快速加热退火效应能抑制非晶带材结构缺陷的变化,推迟韧- 脆转化,使合金经磁性改善退火后仍具有足够的变形能力,增强非晶带材退火后的韧性[9]。例如,采用施加电流脉冲加热的方式对Fe79B16Si5非晶合金进行退火热处理试验,在瞬间将非晶条带加热到673K,处理后的非晶带材脆性得到显著改善,韧性明显优于常规退火带材[9]。

1.2.3 优化铁基非晶合金带材厚度。从非晶形成能力和带材脆性角度考虑,软磁铁基非晶合金的发展方向之一是开发更薄的非晶带材。R. Gerling 和R. Wagner 研究Fe40Ni40B20合金带材发现带材厚度降低到一定程度时,可以使得脆化温度高于退火温度,在保持有效退火处理的同时减少退火脆化的产生[10]。

2 非晶合金变压器抗突短性能问题分析

2.1 变压器突发短路问题

变压器突发短路冲击后损坏几率大增,已占全部损坏事故的40%以上[11]。

突发短路时,变压器绕组失稳严重。变压器在遭受突发短路时将产生比稳态短路大20-30 倍的冲击电流,同时电磁力是正常运行时的400-900 倍,作用在绕组上的辐向力将使高压绕组受到张力,低压绕组受到压力[12],引发安全事故,甚至造成绕组或变压器的永久性损坏。

非晶变压器由于铁心截面为矩形,在突发短路时非晶铁心遭受电磁力影响使得受力不均,受力过大区域极易产生碎片,碎片容易进入绝缘区域,严重时可对变压器造成灾难性打击。

2.2 抗突发短路性能改善措施

2.2.1 近圆形铁心结构设计。近圆形截面设计采用多层迭片组设计,呈上下对称状,由中间至两端迭片组厚度递减,使其截面呈现与框架同心的近圆状近圆状铁心设计搭配圆形框架,使铁心在突发短路状况发生时,可以均匀的承受电动力的冲击。同时近圆形的铁心绕组相较于矩形铁心绕组,更利于抵抗突发短路时的失稳状况。

2.2.2 采用立体卷铁心工艺。立体卷铁心是在卷铁心的基础上,将三个相同的铁心在空间上互成120°紧密拼合成。

立体卷铁心采用三框立体排布,相比于传统非晶合金变压器的四框五柱式排布减少了一个框架,节约1/4 的材料,降低生产成本。同时,立体架构的三个铁心相互支撑,形成稳固的三角结构,极大提高了铁心的耐冲击性能,增强了突发短路状况时变压器的抵抗能力。传统的叠铁心变压器的三个心柱呈平面排列,各心柱的磁路长短不同,性能差异明显,从而造成三相不平衡。而立体卷铁心变压器的三个心柱呈等边三角形的立体排列,三个磁路长度一致、三相平衡、稳定性好。

2.2.3 增加固定结构。变压器内绕组应采用高强度玻璃纤维筒或钢筒作为绕组支撑,增大玻璃钢内侧倒圆半径,提高内绕组辐向稳定性。绕组采用独立轴向承重压紧结构,通过上下夹件及压板压紧,将铁心和绕组受力分离,互不干扰。绕组端部采用高强度层压木或层压纸板压紧(支撑)线圈,同时增加高、低压绕组的轴向压紧面积,并采用一定强度的夹件,将上下压板和绕组紧紧压装在一起,确保绕组充分压紧,提高抗短路能力[13]。

3 结论

本文结合非晶合金变压器的发展及相关研究,针对改善非晶合金变压器存在的问题总结如下:

3.1 调整非晶合金成分,例如改变Si、B 含量及比例,可以提高脆化温度,进而改善退火时非晶合金脆性；优化第二相、增大泊松比等方法可以抑制剪切带的形成与发展,有效增加材料塑性。

3.2 优化非晶合金铁心结构,例如采用近圆形截面铁心以及立体卷绕方式设计铁心,提高抗突短能力。