Як «сэрца» трансфарматара, жалезны стрыжань адыгрывае вырашальную ролю ў пераўтварэнні электрамагнітнай энергіі. Ён не толькі ўплывае на энергаэфектыўнасць трансфарматараў, але і непасрэдна звязаны з аб'ёмам, вагой і эксплуатацыйнай надзейнасцю абсталявання. Эвалюцыя матэрыялаў жалезнага стрыжня, ад прамысловага чыстага жалеза да аморфных сплаваў сёння, стала сведкам слаўнага развіцця трансфарматарнай тэхналогіі.
Асноўная функцыя і патрабаванні да прадукцыйнасці жалезнага стрыжня
Асноўная функцыя стрыжня трансфарматара заключаецца ў забеспячэнні эфектыўнага магнітнага ланцуга, які дазваляе перадаваць электрычную энергію паміж рознымі ланцугамі па прынцыпе электрамагнітнай індукцыі. Характарыстыкі жалезнага стрыжня непасрэдна ўплываюць на тэхнічныя і эканамічныя паказчыкі трансфарматара. Асноўныя патрабаванні да матэрыялаў жалезнага стрыжня: нізкія страты ў жалезным стрыжні пры пэўнай частаце і шчыльнасці магнітнага патоку, а таксама высокая шчыльнасць магнітнага патоку пры пэўнай напружанасці магнітнага поля.
Страты ў стрыжні складаюцца з двух частак: страты на гістэрэзіс і страты на віхравыя токі. Страты на гістэрэзіс звязаны з цяжкасцю намагнічвання матэрыялу, у той час як страты на віхравыя токі выклікаюцца цыркулюючым токам, выкліканым пераменным магнітным патокам у жалезным стрыжні. Каб паменшыць гэтыя страты, ідэальныя матэрыялы жалезнага стрыжня павінны мець высокае электрычнае супраціўленне, высокую магнітную пранікальнасць і нізкую каэрцытыўнасць.
Працэс эвалюцыі матэрыялаў жалезнага стрыжня
Распрацоўка матэрыялаў для стрыжняў трансфарматараў прайшла доўгі і захапляльны шлях. У самых ранніх стрыжнях трансфарматараў у якасці магнітных матэрыялаў выкарыстоўваўся звычайны дрот з вугляродзістай сталі або вугляродзістая сталь. У 1885 годзе завод Gunz у Венгрыі распрацаваў першы аднафазны трансфарматар з замкнёным магнітным ланцугом, і яго жалезны стрыжань быў выраблены з гэтага тыпу матэрыялу.
У 1900 годзе англічанін Р. А. Хэдфілд і іншыя выявілі, што даданне крэмнію ў нізкавугляродную сталь можа палепшыць удзельнае супраціўленне, паменшыць страты на віхравыя токі і гістэрэзіс, а таксама паменшыць з'яву «старэння стрыжня». У 1903 годзе Злучаныя Штаты і Германія пачалі вырабляць гарачакатаныя лісты з крэмніевай сталі, што паклала пачатак эры лістоў з крэмніевай сталі.
Гарачакатаныя лісты з крэмніевай сталі маюць такія праблемы, як нераўнамерная прадукцыйнасць і высокія страты. У 1930-х гадах былі дасягнуты прарывы ў тэхналогіі халоднакатаных лістоў з крэмніевай сталі. У 1933 годзе Гаўс выкарыстаў два метады халоднай пракаткі і адпалу для атрымання сталі з 3% утрыманнем крэмнію з высокімі магнітнымі ўласцівасцямі ўздоўж кірунку пракаткі. У 1935 годзе амерыканская кампанія Armco Steel Company сумесна з кампаніяй Westinghouse пачала вытворчасць халоднакатанай арыентаванай крэмніевай сталі.
Пасля 1960-х гадоў буйныя індустрыяльна развітыя краіны паступова спынілі вытворчасць гарачакатаных лістоў з крэмніевай сталі і перайшлі на халоднакатаныя лісты з крэмніевай сталі з лепшымі характарыстыкамі. У 1964 годзе японская сталёвая карпарацыя Nippon Steel распрацавала высокапранікальныя арыентаваныя зярністыя халоднакатаныя лісты з крэмніевай сталі (сталь Hi-B), што яшчэ больш знізіла страты халастога ходу трансфарматараў.
У 1970-х гадах аморфныя сплавы дэбютавалі на гістарычнай сцэне. У 1974 годзе карпарацыя United Microelectronics Corporation распрацавала аморфныя сплавы на аснове жалеза, а ў 1978 годзе ў ЗША былі распрацаваны трансфарматары з аморфным жалезным стрыжнем магутнасцю 10 кВА. Гэты новы тып матэрыялу характарызуецца надзвычай нізкімі стратамі жалеза, усяго 1/3-1/5 ад традыцыйных лістоў з крэмніевай сталі, што адкрыла новую эру энергазберажэння для трансфарматараў.
Асноўныя тыпы і характарыстыкі матэрыялаў з жалезным стрыжнем
ліст сіліконавай сталі
Ліст з крэмніевай сталі — гэта магнітна-мяккі сплаў крэмніевага жалеза з надзвычай нізкім утрыманнем вугляроду, звычайна з утрыманнем крэмнію 0,5-4,5%. Даданне крэмнію можа павялічыць электрычнае супраціўленне і максімальную магнітную пранікальнасць жалеза, знізіць каэрцытыўнасць, страты ў стрыжні і магнітнае старэнне. Лісты з крэмніевай сталі можна падзяліць на дзве катэгорыі: гарачакатаныя і халоднакатаныя, прычым халоднакатаныя далей падзяляюцца на арыентаваныя і неарыентаваныя тыпы.
Халоднакатаны неарыентаваны крэмніевы сталёвы ліст адносіцца да сплаву з утрыманнем 0,5%~4,0% (Si+Al), які халоднакатаны да таўшчыні 0,65 мм, 0,5 мм і 0,35 мм, а затым адпальваецца і пакрываецца. Яго зярністая тэкстура адносна рассеяная, і ён мае адносна аднастайныя магнітныя ўласцівасці ва ўсіх напрамках.
Арыентаваная крэмніевая сталь мае высокую магнітную пранікальнасць і нізкія страты ў кірунку лёгкага намагнічвання, што адпавядае патрабаванням да магнітнай праводнасці статычнага энергетычнага абсталявання, такога як трансфарматары. Сярэдні вугал адхілення арыентацыі зерняў звычайнай арыентаванай крэмніевай сталі (CGO) складае каля 7°, а значэнне магнітнай успрымальнасці насычэння B8 перавышае 1,82 Тэсла; сярэдні вугал адхілення арыентацыі зерняў высокамагнітнай арыентаванай арыентаванай крэмніевай сталі (Hi-B) складае каля 3°, а значэнне B8 перавышае 1,90 Тэсла.
аморфны сплаў
Аморфны сплаў — гэта металічны функцыянальны матэрыял з атамамі, выпадкова размеркаванымі ў матрыцы матэрыялу, які мае «шклопадобны» склад. Тыповы аморфны сплаў змяшчае 80% жалеза, а астатнія кампаненты — бор і крэмній. Гэты матэрыял мае характарыстыкі высокай індукцыйнай сілы магнітнага насычэння (1,54 Тл), высокай магнітнай пранікальнасці, нізкага току ўзбуджэння і надзвычай нізкіх страт у жалезе.
Страты жалеза ў аморфных сплавах на аснове жалеза складаюць толькі ад адной траціны да адной пятай ад страт у арыентаваных лістах з крэмніевай сталі, што зніжае страты халастога ходу ў трансфарматарах з аморфных сплаваў на 70%-80% у параўнанні з традыцыйнымі трансфарматарамі з крэмніевай сталі. Шчыльнасць магнітнага патоку насычэння аморфных сплаваў адносна нізкая (каля 1,5 Тл), таму намінальная шчыльнасць магнітнага патоку звычайна выбіраецца ў межах 1,3-1,4 Тл.
Таўшчыня стужкі аморфнага сплаву надзвычай тонкая, усяго 0,03 мм, што прыводзіць да каэфіцыента слаістасці аморфнага жалезнага стрыжня толькі каля 80%. Нягледзячы на тое, што аморфныя сплавы маюць меншую ўдзельную вагу, чым лісты з крэмніевай сталі, вага жалезнага стрыжня ўсё яшчэ адносна вялікая.
Канструкцыя асноўнай структуры
Канструкцыя стрыжня трансфарматара таксама зведала значную эвалюцыю. Ад самага ранняга слаістага жалезнага стрыжня да С-вобразнага жалезнага стрыжня, а затым да кальцавога (спіральнага жалезнага стрыжня) жалезнага стрыжня, кожная канструкцыя мае свае характарыстыкі і перавагі.
Круглы жалезны стрыжань выраблены шляхам намоткі крэмніевых сталёвых палосак, падобна туга наматанай спружыне гадзінніка. Гэты тып жалезнага стрыжня мае бесперапынны магнітны контур без паветраных зазораў, што прыводзіць да нізкага магнітнага супраціву і высокай эфектыўнасці. У параўнанні з пласціністымі трансфарматарамі такой жа магутнасці, тараідальныя трансфарматары маюць перавагі малога памеру, лёгкай вагі і нізкай магнітнай рассеянасці.
Трансфарматары з аморфных сплаваў з-за складанасці рэзкі іх матэрыялаў звычайна распрацоўваюцца ў выглядзе спіральных жалезных стрыжняў. Стрыжань аднафазнага трансфарматара мае форму рамы, а стрыжань трохфазнага трансфарматара складаецца з чатырох рам, якія аб'ядноўваюцца ў структуру, падобную да трохфазнай пяцікалоннай. Такая структура дазваляе размясціць кожную фазную абмотку на двух незалежных рамах магнітнага ланцуга, што эфектыўна ліквідуе ўплыў магнітнага патоку трэцяй гармонікі.
Працэс вырабу жалезнага стрыжня
Працэс вытворчасці лістоў з крэмніевай сталі, асабліва арыентаваных лістоў з крэмніевай сталі, з'яўляецца складаным. Яго вытворчы працэс складаны, тэхналагічнае акно вузкае, а складанасць вытворчасці высокая. Ён вядомы як «рамёства са сталі».
Вытворчы працэс халоднакатаных лістоў з неарыентаванай крэмніевай сталі звычайна ўключае: гарачую пракатку сталёвых загатовак або бесперапыннага ліцця загатовак у рулоны таўшчынёй каля 2,3 мм, а затым кіслотную прамыўку, халодную пракатку, адпал і нанясенне ізаляцыйнай плёнкі. Для вырабаў з высокім утрыманнем крэмнію неабходна спачатку нармалізаваць іх пры тэмпературы 800-850 ℃ пасля гарачай пракаткі, затым кіслотную прамыўку, халодную пракатку да пэўнай таўшчыні, адпал, затым халодную пракатку з нізкай хуткасцю абцоўвання і, нарэшце, канчатковы адпал.
Найбольш распаўсюджаны метад атрымання аморфных сплаваў — распыленне пароў расплаўленага металу на хуткасную круцільную медную абмотачную раму, пасля чаго расплаўлены метал астуджаецца і застывае ў тонкія рэбры са хуткасцю 106 ℃/с. Высокае ўнутранае напружанне, якое ўтвараецца пры загартоўцы, неабходна знізіць шляхам адпалу пры тэмпературы ад 200 ℃ да 280 ℃, каб атрымаць добрыя магнітныя ўласцівасці.
Перавагі энергазберажэння матэрыялаў з жалезным стрыжнем
Трансфарматары ў энергасістэме шматлікія і маюць вялікую магутнасць, што прыводзіць да значных агульных страт. Паводле ацэнак, агульныя страты трансфарматараў у Кітаі складаюць каля 10% ад выпрацоўкі электраэнергіі ў сістэме. Кожнае скарачэнне страт на 1% можа штогод эканоміць мільярды кілават-гадзін электраэнергіі.
Трансфарматары з аморфным жалезным стрыжнем маюць значны эфект эканоміі энергіі. Страты халастога ходу ў трансфарматарах з аморфным жалезным стрыжнем серыі SH12 зніжаюцца прыкладна на 75% у параўнанні з трансфарматарамі з крэмніевай сталі серыі S9. Нягледзячы на тое, што трансфарматары з аморфнага сплаву даражэйшыя за традыцыйныя трансфарматары, іх эксплуатацыйныя выдаткі надзвычай нізкія, а тэрмін акупнасці інвестыцый звычайна складае ад 2 да 5 гадоў.
Эканамічна развітыя рэгіёны, прадстаўленыя правінцыямі Шанхай, Цзянсу і Чжэцзян, шырока ўкаранілі трансфарматары з аморфных сплаваў. Электраэнергетычная кампанія Цзянсу нават плануе ў будучыні ўсталяваць новыя і рэканструяваць лініі, прычым выкарыстанне трансфарматараў з аморфных сплаваў павінна складаць не менш за 30%.
Тэндэнцыя развіцця матэрыялаў з жалезным стрыжнем
Матэрыялы з жалезным стрыжнем развіваюцца ў напрамку нізкіх страт у жалезе і высокай магнітнай індукцыі. Для лістоў з крэмніевай сталі выкарыстоўваецца неарыентаваная крэмніевая сталь для высокаэфектыўных рухавікоў з нізкімі стратамі ў жалезе, арыентаваная крэмніевая сталь з тонкімі характарыстыкамі і звышнізкімі стратамі ў жалезе з высокай магнітнай індукцыяй, а таксама высокакрэмніевая сталь для энергазберагальных электрапрыбораў сярэдняй і высокай частаты.
Высокакрэмніевая сталь (сплаў Si-Fe з 4,5%~6,7% Si) мае характарыстыкі значна зніжаных страт жалеза на высокіх частотах, высокую максімальную магнітную пранікальнасць і нізкую каэрцытыўнасць. Але ўтрыманне Si ў ёй занадта высокае, а пластычнасць пры пакаёвай тэмпературы надзвычай нізкая, што ўскладняе яе пракатку і фармаванне. У цяперашні час неарыентаваныя сплавы Si-Fe з 6,5% утрыманнем крэмнію ў асноўным атрымліваюць шляхам інфільтрацыі крэмнію.
Нанамадыфікаваныя матэрыялы і біялагічныя матэрыялы таксама з'яўляюцца адным з напрамкаў развіцця ў будучыні. З ростам попыту на ахову навакольнага асяроддзя, распрацоўка нетаксічных, біяраскладальных або перапрацоўваемых жалезных матэрыялаў стане важным напрамкам даследаванняў.
Выснова
Эвалюцыя матэрыялаў для стрыжняў трансфарматараў прывяла да ідэальнага спалучэння матэрыялазнаўства і электратэхнікі. Ад звычайнай вугляродзістай сталі да лістоў з крэмніевай сталі, а затым і да аморфных сплаваў — кожны прарыў у галіне матэрыялаў значна паляпшаў узровень энергаэфектыўнасці трансфарматараў.
У сучасным свеце, дзе энергазберажэнне і скарачэнне выкідаў сталі глабальным кансенсусам, выбар эфектыўных матэрыялаў для жалезных стрыжняў звязаны не толькі з эканамічнымі выгодамі, але і з экалагічнай адказнасцю. У будучыні, з пастаянным з'яўленнем новых матэрыялаў і працэсаў, стрыжні трансфарматараў будуць працягваць развівацца ў напрамку зніжэння страт і павышэння эфектыўнасці, спрыяючы стварэнню зялёнай і нізкавугляроднай энергетычнай сістэмы.
Час публікацыі: 29 жніўня 2025 г.
