國內(nèi)外30Q105取向硅鋼多工況磁性能對比研究

程靈，趙永生，馬光，楊富堯，韓鈺，陳新

(1. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電工新材料及微電子研究所，北京市 102211；2. 國家電網(wǎng)公司科技部，北京市 100031)

(1. Department of Electrical Engineering New Materials and Microelectronics, State Grid Smart Grid Research Institute,Beijing 102211, China; 2. Department of Science and Technology, State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

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國內(nèi)外30Q105取向硅鋼多工況磁性能對比研究

程靈1，趙永生2，馬光1，楊富堯1，韓鈺1，陳新1

(1. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電工新材料及微電子研究所，北京市 102211；2. 國家電網(wǎng)公司科技部，北京市 100031)

檢測了正弦波形磁場激勵下國產(chǎn)和進口同等規(guī)格取向硅鋼(30Q105)產(chǎn)品的磁性能，同時檢測了其在諧波及直流偏磁電網(wǎng)復(fù)雜工況下的損耗。結(jié)果表明，正弦波形磁場激勵下國產(chǎn)產(chǎn)品的鐵損P1.7/50比進口產(chǎn)品的低0.03 W/kg；直流偏磁存在時，或三次、五次諧波與直流偏磁同時存在時，國產(chǎn)硅鋼片的損耗不同程度高于進口材料。采用金相分析、電子背散射衍射及X射線衍射技術(shù)，對造成國內(nèi)外同等規(guī)格取向硅鋼材料，在標準正弦波形磁場激勵與電網(wǎng)復(fù)雜工況下，損耗不一致的原因進行了分析，結(jié)果顯示，取向硅鋼材料內(nèi)部組織不均勻性及{110}<112>黃銅取向晶粒的存在是造成上述差異的重要原因。

取向硅鋼；直流偏磁；諧波；損耗

0 引 言

取向硅鋼是電力變壓器鐵心的關(guān)鍵核心材料，其磁性能水平直接影響變壓器的體積和空載損耗特性[1-4]。在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的新形勢下，隨著GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》的發(fā)布，取向硅鋼的損耗指標受到極大關(guān)注[5]。然而，由于國標對電力變壓器用取向硅鋼的過勵磁能力、直流偏磁條件下和諧波條件下的鐵損均未作要求，對于來自國內(nèi)外不同廠家的同等牌號取向硅鋼片，按照GB/T 3655《用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法》和GB/T 13789《用單片測試儀測量電工鋼片(帶)磁性能的方法》測得的損耗大小[6-7]，與服役于電力電壓器中產(chǎn)生的損耗大小是否一致，即對于同等規(guī)格(例如均為30Q105牌號)的國產(chǎn)和進口2種取向硅鋼，按照國標測試方法得到的鐵損低的硅鋼片，其在電網(wǎng)實際運行工況下產(chǎn)生的鐵損是否依然比另一種硅鋼片的低，是一個有待研究的問題。

目前，隨著我國寶鋼、武鋼等主要鋼廠高牌號取向硅鋼產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)力度的加強，其產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)能顯著提升，已能批量生產(chǎn)23QG080、27QG085等高端取向硅鋼材料，但應(yīng)用于高壓、特高壓工程的交直流變壓器用高牌號高磁感取向硅鋼仍依賴于進口。按照GB/T 2521產(chǎn)品技術(shù)標準[8]，國產(chǎn)材料的性能等級已與國外新日鐵、浦項產(chǎn)品基本相當(dāng)，然而，國產(chǎn)產(chǎn)品缺少在高壓、特高壓大型變壓器中的應(yīng)用業(yè)績，且缺乏長期穩(wěn)定運行數(shù)據(jù)，以致國家電網(wǎng)公司及變壓器廠在應(yīng)用國產(chǎn)高牌號高磁感取向硅鋼時存在顧慮，同時，單純依據(jù)國標相關(guān)標準進行測試是否真實全面反映了國產(chǎn)取向硅鋼材料的性能，仍需系統(tǒng)深入研究。

本文模擬電力變壓器服役過程中的工況環(huán)境，在正弦波形磁場激勵基礎(chǔ)上疊加直流偏磁和三次及五次諧波(非標測量)，測試國產(chǎn)及進口同等規(guī)格取向硅鋼材料(30Q105)的損耗特性；同時與采用GB/T 3655方法測試得到的結(jié)果進行對比；最后采用金相分析、電子背散射衍射及X射線衍射技術(shù)對造成國內(nèi)外同等規(guī)格取向硅鋼材料在標準正弦波形磁場激勵與電網(wǎng)復(fù)雜工況下?lián)p耗不一致的原因進行分析。

1 試驗材料及方法

試驗材料選取國內(nèi)和國外取向硅鋼生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同為105牌號的高磁感取向硅鋼成品板。按照GB/T 2521標準取樣，并按照GB/T 3655標準用愛潑斯坦方圈法檢測2種試樣的鐵損和磁感值(頻率為50 Hz)。采用Brockhaus MPG 200D軟磁測量系統(tǒng)檢測直流偏磁、高次諧波以及二者同時存在條件下取向硅鋼的損耗特性。將40片試樣重疊，采用Siemens D5000型X射線衍射儀(X-ray diffraction, XRD)測定疊成試樣(RD與ND所在平面)的{110}、{200}和{112}極圖，并用級數(shù)展開法計算取向分布函數(shù)。采用Zeiss ULTRA55場發(fā)射掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)上配備的HKL-Channel 5電子背散射衍射(electron back-scatter(ed) diffraction, EBSD)系統(tǒng)確定樣品的取向分布。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 標準正弦波條件下國內(nèi)外產(chǎn)品磁性能對比

影響取向硅鋼鐵損的因素眾多而復(fù)雜，因為影響磁滯損耗、渦流損耗和反常損耗的因素不同，且有些因素對這些鐵損組分有完全相反的影響，最終表現(xiàn)在總鐵損值上的是其綜合結(jié)果，同時由于硅含量基本不變(Si介于2.9% ～ 3.5%之間)，取向硅鋼的磁感應(yīng)強度只與{110}<001>高斯晶粒取向度有關(guān)[3]。表1為標準正弦波形磁場激勵條件下采用GB/T 3655愛潑斯坦方圈法測得的取向硅鋼磁性能數(shù)據(jù)?？梢姡瑖a(chǎn)和同等規(guī)格進口高磁感取向硅鋼產(chǎn)品的磁性能參數(shù)均滿足國標要求(鐵損P1.7/50≤1.05 W/kg，磁感B8≥1.85 T)，且國內(nèi)產(chǎn)品的磁性能更佳，鐵損P1.7/50比國外產(chǎn)品低0.03 W/kg，磁感B8高出0.02 T。造成國產(chǎn)及進口30Q105牌號產(chǎn)品磁性能差異的原因?qū)⒃谟懻摬糠诌M行分析。

表1 采用標準愛潑斯坦方圈法測得的30Q105 同等牌號產(chǎn)品磁性能參數(shù)

Table 1 Magnetic properties of 30Q105 grain-oriented silicon steels measured by standard Epstein frame method

2.2 直流偏磁條件下國內(nèi)外產(chǎn)品損耗對比

直流輸電采用單級大地回線方式或雙級不平衡方式運行，電網(wǎng)中存在電壓電流關(guān)系曲線不對稱的負載，直流電流侵入交流系統(tǒng)，接地變壓器產(chǎn)生直流偏磁；同時，太陽等離子風(fēng)的動態(tài)變化與地磁場相互作用產(chǎn)生的地磁風(fēng)暴會引起地磁感應(yīng)電流，地磁感應(yīng)電流會在接地變壓器中產(chǎn)生直流偏磁[9-11]。直流偏磁會引起變壓器勵磁電流大幅增加及飽和程度加深，使其繞組、鐵心、油箱和夾件的渦流損耗增加，進而引起變壓器頂層油溫和繞組溫度升高，導(dǎo)致局部過熱[12-13]。由于條件限制，針對電網(wǎng)在役變壓器直流偏磁下的損耗定量研究難以進行，而在鐵心結(jié)構(gòu)及裝配工藝確定的情況下，取向硅鋼材料的鐵損直接決定變壓器鐵心的空載損耗，因此本文以變壓器鐵心用取向硅鋼材料為對象，間接定量研究直流偏磁對變壓器損耗的影響。圖1給出了直流偏磁條件下國產(chǎn)及進口30Q105同等牌號取向硅鋼的損耗曲線。由圖1可知，整體上取向硅鋼的損耗P1.7/50隨線圈中直流電流的增大而增加，偏置磁場為70 A/m時，國產(chǎn)和進口產(chǎn)品的損耗較無直流偏磁時分別增加了32.9%和25.0%；無直流偏磁時國內(nèi)產(chǎn)品損耗低，具有一定的優(yōu)勢；當(dāng)直流偏置磁場大于10 A/m后，進口取向硅鋼材料表現(xiàn)出了更低的損耗特性，且增加的幅度更低，即進口取向硅鋼片的抗直流偏磁能力比國產(chǎn)同等牌號硅鋼產(chǎn)品的更強。

圖1 直流偏磁對30Q105同規(guī)格國產(chǎn)和進口取向硅鋼損耗的影響

2.3 諧波條件下國內(nèi)外產(chǎn)品損耗對比

國外研究表明，變壓器三相負載不均衡使得變壓器諧波損耗加劇，變壓器由于不均衡工作導(dǎo)致諧波損耗的上升比例最高達9成[14-15]。本研究中，對諧波的次數(shù)及含量進行區(qū)分，分析電網(wǎng)中含量較高的三次、五次諧波對變壓器鐵心用取向硅鋼損耗的影響(不考慮諧波與基波之間的相位差)，并對比30Q105同等規(guī)格國產(chǎn)及進口產(chǎn)品的諧波損耗特性，結(jié)果見圖2。由圖2可知，在諧波含有率相同的情況下，隨著諧波次數(shù)的增加，2種硅鋼片的鐵損增加明顯；三次、五次諧波的含量超過30%后，損耗顯著上升。需要指出的是，對于三次諧波，當(dāng)其含量為10%時，2種材料的損耗與正常情況相比反而降低了0.03 W/kg。國內(nèi)取向硅鋼片的三次諧波損耗比國外產(chǎn)品略低，2種材料的五次諧波損耗相當(dāng)。

2.4 直流偏磁與諧波同時存在時國內(nèi)外產(chǎn)品損耗對比

電網(wǎng)實際運行過程中有時同時存在直流偏磁和諧波這種復(fù)雜工況，為此圖3對比了直流偏磁與諧波同時存在時國內(nèi)外30Q105同等牌號產(chǎn)品的損耗。由圖3可知，諧波次數(shù)相同時，30 A/m直流偏置磁場與10 A/m直流偏置磁場相比損耗僅增加0.1 W/kg左右；而直流偏置磁場相同時，五次諧波損耗明顯高于三次諧波。復(fù)雜工況下，國內(nèi)30Q105牌號產(chǎn)品的損耗均不同程度高于國外同等規(guī)格產(chǎn)品，這與表1中磁通為標準正弦條件下，國內(nèi)樣品鐵損低于進口樣品的結(jié)論相反，也就是說按照國標方法檢測，鐵損低的取向硅鋼材料服役于電力變壓器的過程中，遇到復(fù)雜工況后損耗水平可能更高。針對這一現(xiàn)象，以下將從決定取向硅鋼磁性能的顯微組織、宏觀織構(gòu)、微觀取向等方面進行討論。

圖2 三次與五次諧波對30Q105同等規(guī)格國產(chǎn)和進口取向硅鋼損耗的影響

3 討 論

按照GB/T 3655用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法發(fā)現(xiàn)國內(nèi)產(chǎn)品鐵損低于國外產(chǎn)品，然而，國標GB/T 2521只針對正弦波形磁場激勵條件下產(chǎn)品磁性能水平及測試方法進行規(guī)范，對于直流偏磁或偏磁與諧波同時存在這種更接近電網(wǎng)實際運行的工況，尚無相關(guān)產(chǎn)品及測試標準。本研究表明，直流偏磁或偏磁與諧波同時存在時，國外產(chǎn)品的損耗比國內(nèi)同等牌號產(chǎn)品的反而更低，這就說明單純依據(jù)國標要求進行檢測并不能全面反映取向硅鋼材料的磁特性。以下從影響取向硅鋼片磁性能的材料學(xué)因素方面進行討論，分析導(dǎo)致上述差異的原因。

圖4給出了國內(nèi)外30Q105同等規(guī)格產(chǎn)品的金相組織(最小刻度為1 mm)?？梢?，二者顯微組織差異明顯，進口產(chǎn)品的組織均勻性更好，大量統(tǒng)計2種產(chǎn)品的平均晶粒尺寸表明，國產(chǎn)取向硅鋼的平均晶粒尺寸為40.0 mm，進口片為12.5 mm，從2種材料的金相組織來看，組織均勻性可能是影響電網(wǎng)復(fù)雜工況下電力變壓器用取向硅鋼材料直流偏磁或諧波損耗差異的重要因素。

圖3 國產(chǎn)和進口30Q105牌號取向硅鋼直流偏磁與諧波損耗對比

圖4 國產(chǎn)和進口30Q105牌號取向硅鋼的金相組織

圖5為國產(chǎn)30Q105取向硅鋼和進口同等規(guī)格產(chǎn)品的{111}-{110}-{100}極圖。對比兩者的微觀取向發(fā)現(xiàn)，2種樣品中均以對磁性能極為有利的{110}<001> Goss取向晶粒為主，同時存在個別不易導(dǎo)磁的{110}<112>黃銅取向晶粒。整體上看，國產(chǎn)和進口同等規(guī)格產(chǎn)品在微觀取向上的差異不是特別明顯。

圖5 國產(chǎn)和進口30Q105牌號取向硅鋼的{111}-{110}-{100}極圖

圖6給出了國產(chǎn)和進口30Q105牌號取向硅鋼產(chǎn)品φ2=45°截面上取向分布函數(shù) (orientation distribution function, ODF)圖。由圖6可知，國產(chǎn)產(chǎn)品中Goss晶粒取向密度值高達157，相比之下進口產(chǎn)品僅為72，且存在較弱的{111}<110>織構(gòu)，導(dǎo)致正常波形磁場激勵條件下國產(chǎn)材料的磁感比進口片高0.02 T，鐵損比后者低0.03 W/kg；通過X-射線衍射分析還發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)材料中存在相當(dāng)強度的黃銅織構(gòu)(見圖6(a)三角形位置)，黃銅晶粒的<112>方向為難磁化方向，而這種對磁性能不利的黃銅取向晶粒在電網(wǎng)復(fù)雜工況下，對電力變壓器用取向硅鋼材料損耗的影響，比正弦波形磁場激勵條件下的不利影響更加顯著，這是造成上述差異的另一重要原因。

圖6 國產(chǎn)和進口30Q105牌號取向硅鋼的宏觀織構(gòu)(φ2=45°截面上ODF圖)

4 結(jié) 論

(1)正常波形磁場激勵條件下(頻率為50 Hz)，國產(chǎn)取向硅鋼產(chǎn)品鐵損P1.7/50比進口同等規(guī)格30Q105產(chǎn)品低0.03 W/kg；直流偏磁或偏磁與三次、五次諧波同時存在復(fù)雜工況下，國產(chǎn)硅鋼片的損耗卻高于國外材料。說明單純依據(jù)GB/T 3655、GB/T 252測試評級并不能全面反映電力變壓器用取向硅鋼材料的損耗特性，建議制定技術(shù)要求更高、更全面的相關(guān)標準。

(2)采用金相、電子背散射衍射及X射線衍射技術(shù)分析2種取向硅鋼材料的內(nèi)部組織、微觀取向及宏觀織構(gòu)，結(jié)果表明電力變壓器用取向硅鋼材料組織不均勻性及{110}<112>黃銅取向晶粒的存在是造成同等規(guī)格取向硅鋼片在正弦波形磁場激勵和電網(wǎng)復(fù)雜工況下?lián)p耗差異的重要原因。

致 謝

本文中實驗方案的制定和實驗數(shù)據(jù)的測量記錄工作是在保定天威集團有限公司程志光教授、北京科技大學(xué)李瀟博士等工作人員的大力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。

[1]劉銳，李金忠，張書琦，等.大型電力變壓器損耗測量不確定度分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(7) ：155-160. Liu Rui, Li Jinzhong, Zhang Shuqi, et al. Uncertainty Analysis of Loss Measurement for Large-Scale Power Transformer[J].Power System Technology, 2012, 36(7):155-160.

[2]姚磊，姚志松.節(jié)能變壓器結(jié)構(gòu)和特點[J].中國電力，2007，40(9)：49-53. Yao Lei, Yao Zhisong. Structure and characteristics of energy saving transformer[J].Electric Power, 2007, 40(9):49-53.

[3]Günther K，Abbruzzese G，F(xiàn)ortunati S，et al.Recent technology developments in the production of grain-oriented electrical steel[J].Steel Research，2005，76(6)：413-420.

[4]程靈，楊富堯，馬光，等.電力變壓器用高磁感取向硅鋼的發(fā)展及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報, 2014，28(6)：115-118. Cheng Ling, Yang Fuyao, Ma Guang, et al. Development and application of high magnetic induction grain-oriented silicon steel for power transformer[J]. Materials Review, 2014, 28(6):115-118.

[5]國家發(fā)展和改革委員會資源節(jié)約和環(huán)境保護司，工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司.GB 20052—2013 三相配電變壓器能效限定值及能效等級[S].北京：中國標準出版社，2013.

[6]全國鋼標準化技術(shù)委員會.GB/T 3655—2008 用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[7]全國鋼標準化技術(shù)委員會.GB/T 13789—2008 用單片測試儀測量電工鋼片(帶)磁性能的方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[8]全國鋼標準化技術(shù)委員會.GB/T 2521—2008 冷軋取向和無取向電工鋼帶(片)[S].北京：中國標準出版社，2008.

[9]蒯狄正，萬達，鄒云.直流偏磁對變壓器的影響[J].中國電力，2004，37(8)：41-43. Kuai Dizheng, Wan Da, Zou Yun et al. Impacts of long-time DC biasing magnetism on transformers[J]. Electric Power, 2004,37(8):41-43.

[10]李泓志，崔翔，劉東升，等.直流偏磁對三相電力變壓器的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(5)：88--96. Li Hongzhi, Cui Xiang, Liu Dongsheng, et al. Influnce on three-phase power transformer by DC bias excitation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(5):88-96.

[11]范永強，尹忠東，李和明.一種新型變壓器直流偏磁抑制裝置[J].電力建設(shè)，2013，34(11)：110-113. Fan Yongqiang, Yin Zhongdong，Li Heming. A new suppression device of transformer DC magnetic biasing[J]. Electric power construction, 2013,34(11): 110-113.

[12]李長益.直流單級運行對交流變壓器的影響[J].華東電力，2005，33(1)：36-39. Li Changyi. Effect of DC monopole operation on AC transformers[J]. East China Electric Power, 2005, 33(1):36-39.

[13]曹林，何金良，張波.直流偏磁狀態(tài)下電力變壓器鐵心動態(tài)磁滯損耗模型及驗證[J].中國電機工程學(xué)報，2008，28(24)：141-146. Cao Lin, He Jinliang, Zhang Bo. Dynamic hysteresis loss model of power transformer under DC current biasing and its verification[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(24):141-146.

[14]Yildirim D，F(xiàn)uchs E F.Measured transformer derating and comparison with harmonic loss factor approach [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15(1)：186-191.

[15]郭宏波，譚俊源.諧波對變壓器的影響及其抑制措施分析[J].電力建設(shè)，2008，29(11)：35-37. Guo Hongbo, Tan Junyuan. Effects of harmonics on rransformer and its suppression measures[J]. Electric Power Construction, 2008, 29(11):35-37.

(編輯:張小飛)

Comparative Study on Magnetic Properties of 30Q105 Grain-Oriented Silicon Steels under Multiple Load Cases at Home and Abroad

CHENG Ling1, ZHAO Yongsheng2, MA Guang1, YANG Fuyao1, HAN Yu1, CHEN Xin1

The magnetic properties of 30Q105 grain-oriented silicon steels at home and abroad were tested under invigorative magnetic field of sine wave, as well as the core loss under power grid complicated conditions with DC bias and harmonic wave. The results show that, the core loss (P1.7/50) of domestic sample is lower than that of imported sample by 0.03 W/kg under sine wave magnetic field. However, the core loss of domestic grain-oriented silicon steel is higher than that of imported sample by different degrees under DC bias or third, fifth harmonic wave with DC bias. The reasons for core loss diversity of the same grade 30Q105 grain oriented silicon steels at home and abroad under different working conditions were analyzed by optical microscope, electron back scattered diffraction, and X-ray diffraction technique. The results show that, the above differences are attributed to the inhomogeneity in grain size distribution and the existence of {110}<112> Brass orientation grains.

grain-oriented silicon steel; DC bias; harmonic wave; core loss

國家電網(wǎng)公司重點科技項目(SGRI-WD-71-13-002)。

(1. Department of Electrical Engineering New Materials and Microelectronics, State Grid Smart Grid Research Institute,Beijing 102211, China; 2. Department of Science and Technology, State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

TM 275

A

1000-7229(2015)04-0059-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.010

2014-10-25

2014-12-28

程靈(1988)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事高磁感取向硅鋼材料研究工作；

趙永生(1969)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事能源科學(xué)研究工作；

馬光(1979)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事節(jié)能材料應(yīng)用技術(shù)研究工作；

楊富堯(1986)，男，工學(xué)博士，工程師，主要從事高性能軟磁材料研究工作；

韓鈺(1977)，女，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事電工新材料研究工作；

陳新(1973)，男，工學(xué)博士，教授級高工，主要從事電工新材料研究工作。