纳米晶合金铁芯在电力互感器中的运用.pdf

第 6期 ( 总第 1 9 3期) 2 0 1 5年 1 2月 机械 工 程 与自 动化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG & AUT0M AT1 0N No ．6 De c ． 文 章 编 号 ： 1 6 7 2 — 6 4 1 3( 2 0 1 5 ) 0 6 — 0 2 0 1 — 0 2 纳米 晶合金铁芯在 电力互感器 中的运用 范 浩 ( 山西省机 电设计研 究院， 山西 太原0 3 0 0 0 9 ) 摘要 ：首先就纳米 晶合金铁 芯材料性能展开分析 ，并对纳米 晶合金铁 芯与传统硅钢 片材料的 电力互感器铁 芯 进 行对 比，从而探析 纳米晶合金铁芯在 电力 互感 器 中的运用价值 ，并对纳 米晶合金铁芯在 电力互感器 中的运 用 关 键 技 术 展 开 探 讨 ， 为 相 关 专 业 人 士提 供 参考 。 关键 词 ：纳米 晶合金 材料 ；电力互感器 ；硅钢 片铁芯 中 图 分 类 号 ：TM4 5：TGI 4 6 文献 标 识 码 ：B 0 引言 纳米晶合金材料与晶态合金材料相 比， 其物理、 化 学以及机械性能等方面都有 着显著优化 ， 此种因素使 得纳 米 晶合 金在 电力 领 域 中 的应 用 日趋 广泛 _ l J 。纳米 晶合金是一种新型材料 ， 其工频铁损仅仅是硅钢材料 的 3 O 左右 ， 因此采用纳米晶合金材料替换传统硅钢 作为电力互感器 的铁芯材料能够有效降低 空载损耗 ， 基于此 ， 采用纳米晶合金材料替换传统硅钢片材料的 相关研究逐渐增多 。本文就纳米 晶合金材料性能展开 分析 ， 并对纳米 晶合金铁芯 与传统硅钢片铁芯在 电力 互 感器 中的应 用进 行 对 比 ， 从 而探 析 纳 米 晶合 金 铁 芯 在 电力 互 感器 中的运用 价 值 。 1 纳 米 晶合 金材 料铁 芯 的制 备工 艺 纳米晶合金材料又称非 晶材料 ， 人们 日常 中所接 触 的材料大致可分成晶态材料与非 晶态材料。如果材 料 的原子成规律性排列 ， 那 么此类材料就称为 晶态材 料 ； 相 反地 ， 如 果 材料 原 子 以非 规 律 性 的 方 式 排 列 ， 那 么则称之为非 晶态材料 ， 即纳米 晶合金材料 。通常来 说金 属 的原 子都 是 以有 序 形 式 排 列 ， 因此 都 为 晶态 材 料 ， 而金属在高温熔化时 ， 内部原子十分活跃 ， 但 随着 冷却 的进 行 ， 原子 活 性会 随之 下 降 ， 慢 慢地 恢 复到 规律 性 排 列 的 晶态材 料形 式 ， 但 如 果加 快 这一 冷却 过程 ， 金 属原 子来 不及 恢 复 到 正 常 的规 律 性 排 列 就 被 凝 固住 ， 最终 就会 成 为非 晶态 的纳 米 晶合金 材 料 2 ] 。通 常纳 米 晶合金材料的制备工艺采用 的是人工加快冷却进程 ， 实现超级冷凝 固的方式 ， 将熔 化状态的高温金属水喷 射在高速旋转状态的冷却辊上 ， 金属水 以百万。C／ s的 冷却速度进行急速冷却 ， 最终在不足 I ／ 1 0 0 0 s的时间 内 ， 将 1 3 0 0℃高 温金 属水 急速 降 至 2 0 0℃以下 ， 最终 成为纳米晶合金材料 。 2 纳 米 晶合金 材料 铁芯 在 电力互 感 器 中的运 用 2 ． 1 纳米晶合金铁芯在 电力互感器运用中的性能优势 同等磁密度 的条件下 ， 采用纳米 晶合金材料制成 的电力互感器铁芯其损耗仅仅是硅钢材料 的 3 0 左 右 ， 而励磁功率仅仅是硅钢片材料 电力互感器铁芯的 5 O ， 电阻率却高达硅钢片 的 3倍 以上。此外纳米晶 合 金材 料在 制备 过 程 中 因没 有 铸 锭 、 热 轧 及 冷 轧 等 工 序 ， 节省了加工程序与加工过程中的能源耗损 ， 由此可 见纳米晶合金电力互感器铁芯无论是在经济效益还是 在性 能及环保 等方 面都是极具 应用价值 的 。 2 ． 2 纳 米 晶合 金铁 芯在 电力 互感 器应 中存在 的 不足 非 晶体合金铁 芯的工作磁 密为 1 ． 4 T， 低于硅钢 片的 1 ． 7 6 T， 且 叠片填充 因素通 常在 0 ． 7 5 ～0 ． 8之 问 ， 相 对较 小 ， 大 约 为硅 钢 片 电力 互 感 器 铁 芯 的 8 5 左右 J 。且此种材料 的铁芯厚度较小 ， 脆性高 ， 不利于 加工 ， 热稳 定性 也 相 对较 差 ， 如 果局 部 过 热 ， 且 超 出其 承受 范 围 ， 则 可严 重影 响导 磁性 能 ， 此 外纳 米晶合 金铁 芯必须 以惰性气 体保护并在 磁场条件 下进行退 火操作 。 3纳米 晶合 金铁 芯在 电力互 感器 中 的运用优 化 纳米 晶合金铁芯在电力互感器中的运用优势在于 其低 耗损 性 能与 相对 低 廉 的价 格 ， 通 过 前 文 分 析不 难 看 出 ， 纳 米 晶合金 铁 芯具有 良好 的应 用前 景 ， 为进 一步 提升纳米 晶合金铁芯的应用效果 ， 以下对其在电力互 感器 中运 用 的优 化技 术展 开分 析 ， 具 体 如下 。 3 ． 1 分 布 式搭 头技 术 以往纳米晶合金铁芯采用的是每套带材组数固定 形 式 的搭头 结构 ， 以铁芯 窗 口宽度 来 确定组 数 ， 搭头 呈 几 条直 线 的形态 进行 排列 ， 直 线条 数 即为组 数 ， 这种 传 收稿 日期 ：2 0 1 5 — 0 9 — 1 4 ；修 订 日期 ：2 0 1 5 一 i 0 — 2 1 作者简介 ：范浩( I 9 7 4 一 ) ，男 ，山西五寨人 ，工程师 ，本科 ，主要从事 自动化技术方面 的工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 2 机 械工 程 与自 动 化 2 0 1 5年 第 6期 统搭头 模式 无法将 整 个 铁 芯磁 通 有 效 集 中 ， 造 成空 载 耗损 ， 加大 空载 电流 ， 并 形 成较 大 的运 行 噪声 ， 此外 铁 芯搭 头尺 寸也 相 对较 大 ， 造 成 铁 芯 偏 高 。针 对这 一 情 况 ， 笔者 建议采 用分 布式 搭头铁 芯结 构 ， 这 种结 构是 将铁芯搭头以分布式形态进行排列， 如图 1所示 。 1 ， 2， 4一 内外 纳 米 合 金 材 料 ； 3 一纳 米 合 金 铁 芯 叠 片 ； 5 ， 6 ， 7 一第一套叠片 ； 8 ， 9 ， 1 0 ， 1 1 一第二套叠片 图 1 分布式搭头示意图 图 1中， 1 、 2 、 4为内外纳米合金材料 ， 对纳米合金 铁芯 叠片 3起 固定作 用 ， 5 、 6 、 7 是 第 一套 叠 片 系统 ， 8 、 9 、 1 0 、 l 1 是第二套叠片系统 ， 并 以此类推。采用分布 式搭 头技术 ， 每套 纳 米 晶合 金 的 组数 会 和 铁 芯 叠 片 的 厚度 一 同增加 ， 搭 头 以分布 式 的方式排 列 ， 提升 了磁通 分布 的均 匀性 ， 防止磁 通波 形发 生改 变 ， 也 大大 改善 了 纳米晶合金 电力互感器铁芯的励磁功率以及空载能耗 等性 能 ， 此 外经此 种技 术改 良后 ， 铁芯 搭头 的侧 尺寸可 有效减 小 ， 同时也 就相 应地 缩减 了互感 器 的尺寸 ， 减少 了成本 。分布式搭头应注意的是 ， 两端搭头末段的连 线和水平方 向需保持约 4 5 。 的夹角 ， 如果夹角过小 ， 则 可使搭头部分形成弯角 ， 从而影响纳米 晶合金互感器 铁芯的性能。 3 ． 2 温度 场磁 场双 重热 处理技 术 纳米晶合金电力互感器铁芯中的应力问题 ， 是影 响其 运行过 程 中磁性 能 的重 要 因 素之 一 ， 因此 为 了提 高铁 芯 的应 用 性 能 ， 需 要 采 用 热 处 理 技 术 消 除应 力 。 纳米 晶合金 材料 的 电力互感 器铁 芯 在急速 冷却 、 卷 取 、 带材切割以及运输等过程 中容易因出现应力而影响其 运行性能 ， 因此必须采取相应处理措施_ 5 ] 。首先将铁 芯加 热到不 高 于 晶化 温 度 的较 高温 度 下 ， 并 保 温 一 段 时间， 之后冷却出炉 ， 根据纳米晶合金带材的区别 ， 具 体 的加热工 艺也 不尽 相 同 ， 通常在 3 0 0℃～4 ( ) ( ) ℃， 将铁 芯温度升至预先设定 温度之后 ， 根据铁 芯的尺寸差异 ， 冷 却速率也有所不同， 通常为 5℃／ m i n ~1 0℃／ mi n 。 此外为了能够有效强化应力消除效果并减少铁芯 励 磁 功率 ， 还可 在热处 理 的过程 中施 加纵 向磁场 ， 具 体 操 作 为采用 一根 较长 的铜 质 电缆 线 ， 将 其 穿过铁 芯 ， 在 直流 电 的作 用下 即可 有纵 向磁场 生成 。 4 结 束语 纳米晶合金材料的电力互感器铁芯因其空载能耗 低 ， 节 能效果 显 著 ， 并 能 满 足 现 阶段 较 高 的精度 要 求 ， 随着 我 国纳 米 晶合金 材 料 的量产 ， 此 种材 料 的 电力 互 感器铁芯势必会不断普及 。此外 ， 在推广应用纳米晶 合金材料的同时， 还需要不断优化技术手段 ， 改善现有 性能上存在的不足， 从而使此种材料 在电力互感器中 的运 用价值 最 大化 。 参考文献 ： [ 1 ] 朱培刚 ， 梁炳婷 ， 王冶． 导 电、 导磁与绝缘 材质对变 压器类 产品运行可靠性的影响[ J ] ． 变压器 ， 2 0 1 3 ( 4 ) ： 2 3 — 2 7 ． I- 2 ] 于泳 ， 汪 良坤 ， 连涛 ， 等． 测 量用 电流互感 器铁芯材料 对剩 磁的影响[ J ] ． 电工电气 ， 2 0 1 3 ( 6 ) ： 1 I - 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s h a n ( S h a n x l Vo c a t i o n a l a n d Te c hn i c a l Co l l e g e o f Li g h t I n d u s t r y．Ta i y u a n 0 3 00 1 3．Ch i n a ) Ab s t r a c t ：On t h e b a s i s o f Au t o CAD 2 0 0 7，t h e fi u t h o r h a s t a k e n t h e v a r i e t y o f f o n t s t y l e s i n t o a c c o u n t ，a n d ma d e r e s e a r c h o n t h e s ho w c o nd i t i o ns i n t h e us e of s i ng l e l i ne a nd mul t i p l e l i ne s t o e nt e r c h a r a c t e r s，a n d p ut f or wa r d how t o c h oo s e t he a p pr op r i a t e f o nt t o s a t i s f y t he na t i o na l s t a nd a r d r e qui r e me nt whe n t h e f o nt s t y l e i s s e t a nd whi c h i n put mod e s hou l d be a do pt e d wh e n t h e n or ma l di s pl a y i ng c on di t i o n i s g ua r a nt e e d，e t c ． Ke y wo r d s：Aut o CAD ；f o nt s t yl e；s e l e c t i on 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m