电工钢第七章解读.doc

第7章 冷轧取向硅钢 7.1 概述 变压器分为电力变压器（7500~1500000kVA大型变压器和1000~7000kVA中型变压器）、配电变压器（10~500 kVA）、小变压器和特殊变压器。发电厂一般通过4~5台变压器将电输送给用户使用（见图7-1）。有6％~10％电力消耗在输电、配电系统，其中输配电导线引起的损耗约占60％，变压器损耗约占40％。变压器损耗中铜损和铁损各占约50％，因此变压器铁芯损耗占输配电损耗的18％~20％。日本年发电量约为5×1011kW·h，每年有约7×109kW·h（6％）消耗公输配电系统．其中变压器铁损约占18％，即消耗约6.5×108 kW·h，合100亿日元，相当于300万以上家庭用户用电量。美国用电分散，输配电系统消耗的电力占年发电量(约2.5×1012kW·h)的8％~10％。 图7-1 输配电系统示意图 变压中铜损与负载有关，激磁电流增高，铜损增大。铁损则无论有无负载，在24h内都存在，所以也称空载损耗。因此变压器铁损比铜损更重要。空载损耗随变压器容量增大而减小（见表7-1）。在大的升压电力变压器中，负载损耗（铜损）约占80％，空载损耗只约占20％。在配电变压器中空载损耗约占65％，比大电力变压器约大两倍。美国配电变压器台数最多，约2000万台，每年要生产约100万台作为补充。配电变压器和电力变压器造成的电力损耗各约占变压器总损耗的1/2。 从1973年开始，先后两次石油危机造成世界能源紧张。美国首先改变更压器（降低设计Bm）和电机（开发高效电机）设计来提高效率。同时提出“电力损耗评价制度（Loss Evaluation System）”，即变压器或电机总成本（也称评价成本）＝制造成本十能量成本。能量成本（D）是按铁损和铜损核定价估算，即：D＝H(VE十VK·L2)，kW·h。式中，H＝变压器10年内运行小时数；VE=铁损降低值，kW；VK＝铜损降低值．kW；L＝负载率。年损耗评价公式：制造成本十A×空载损耗(W)十B×负载损耗(W)。A＝铁损核定价($/W)；B＝铜损核定价($/W)。也就是说，一台变压器的净值为铁损核定价、额外材料费和制造成本三者变化的差别。铁损核定价的确定涉及许多条件，随地区和时间不同而变化。由图7-2看出，变压器制造成本随设计B值增高而降低，而能量成本却随B增高而增加，因此有一合适的设计B值。应选用合适的取向硅钢牌号和厚度进行设计和制造。按美、英和日本的平均统计，1978年铁损核定价约为1.0$/W，铜损为0.58$/W。1983年铁损升到3.4$/W，铜损升到1.5$/W（见图7-3）。1983年后能源危机趋于缓和，铁损核定价增长速度减慢。在此期间美国发展了低铁损铁基非晶软磁合金用作配电变压器[1~3]。现在美国约有10%配电变压器是用非晶合金制造。 频率不变时变压器输出电压V与铁芯磁通密度只有如下关系：V＝K·B·S·n。S为铁芯断面积，n为铜线匝数。变压器容量＝V·I=K(B×S)·(n×I)。I为输出电流；(B×S)是与铁芯重量有关的参量；(n×I)是与铜线匝数有关的参量。变压器容量不变，即(n×I)不变时，选用高磁感取向硅钢Hi-B制造，设计Bm提高，铁芯断面S可缩小，变压器体积减小，重量减轻，但铁损增大。70年代前致力于改善取向硅钢磁性的目的是使Bm（从1.0 T→1.5T→1.7T）不断提高，在保证过电压＜10％条件下减轻变压器重员和缩小体积，降低制造成本。特别是Hi-B钢产品问世后，Bm已大多选用1.7~1.8T。70年代后由于考虑能量成本，情况发生变化。美国开始降低Bm值，降低速度为每年2％或0.03T，从1.7T又逐渐降到1.2~1.5T，这使变压器铁损和噪音明显下降。其缺点是材料用量增多、体积和重量增大。一台25kVA配电变压器。将Bm降低约20％后铁损为基本设计方案的82％~90％，铁芯重量增加约40％。以变压器寿命为30年计算，因为铁芯加重所造成的额外铁损能量为节约的铁损能量的2％~3.3%，总成本阵低约16％（见表7-2）。但降低Bm有一限度，当制造成本增长值大于能量成本降低值以及由于变压器体积和重量过大而影响运输和安装时，就不能再降低Bm。近20年，由于非晶合金的发展进一步促进了取向硅钢的发展，激光照射的0.23mm厚Hi-B钢制的变压器空载损耗比0.3mm厚G6H（美国30M2H）高牌号制的降低25％，装配因子改善4％。现在各国选用的Bm仍以1.7T为主、采用高质量取向硅钢制造。 7.1.1 变压器铁芯中磁通密度和铁损的分布 布雷斯福德(F．Brailsfold)等首先将铁芯叠片钻成小孔绕上探测线圈，测定和计算变压器铁芯中各地区的磁通密度分布情况[4]。摩西(A．J．Moses)等首先采用有限单元法和探测线圈