不同環(huán)境溫度對取向硅鋼磁性能影響實(shí)驗研究

劉 濤， 劉蘭榮， 張俊杰， 聶京凱， 劉 洋， 金文德

(1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056；2.全球能源程序互聯(lián)網(wǎng)研究院， 北京 102200；3.國網(wǎng)浙江省電力公司， 杭州 310007)

●輸變電及特高壓●

不同環(huán)境溫度對取向硅鋼磁性能影響實(shí)驗研究

劉 濤1， 劉蘭榮1， 張俊杰1， 聶京凱2， 劉 洋2， 金文德3

(1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056；2.全球能源程序互聯(lián)網(wǎng)研究院， 北京 102200；3.國網(wǎng)浙江省電力公司， 杭州 310007)

為研究環(huán)境溫度變化對取向硅鋼材料及變壓器鐵心的影響，通過溫控實(shí)驗箱實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境溫度的控制，分別將已放入測試樣片的的標(biāo)準(zhǔn)愛潑斯坦方圈及產(chǎn)品級鐵心模型放入溫控實(shí)驗箱中，研究了不同環(huán)境溫度對取向硅鋼材料及變壓器鐵心的磁性能影響。實(shí)驗表明，當(dāng)工作磁密大于1.2 T時,隨著環(huán)境溫度升高,鐵心模型的磁化性能逐漸變差，但溫度升高后，損耗性能變好。

環(huán)境溫度；愛潑斯坦方圈；鐵心模型；磁性能

電力變壓器變壓器運(yùn)行時會有溫升，鐵心會在較高溫度條件下長期運(yùn)行。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，電力變壓器正常使用條件中規(guī)定的最高環(huán)境溫度是+40 ℃，油浸式變壓器鐵心的最高溫升是80 K[1]，這表明變壓器鐵心可能會在最高為120 ℃的環(huán)境溫度下長期運(yùn)行。而硅鋼片生產(chǎn)商提供的取向硅鋼材料磁性能樣本數(shù)據(jù)通常是在測量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度條件下測量得到[2]。在不同環(huán)境溫度下的取向硅鋼磁性能會有差異，用在標(biāo)準(zhǔn)溫度下測量得到的材料磁性能數(shù)據(jù)去做變壓器產(chǎn)品設(shè)計及電磁仿真可能會帶來有一定誤差。[3-4]

文獻(xiàn)[5]研究了溫度取向硅鋼材料的磁性能影響。但材料性能并不能完全代表變壓器的鐵心性能，材料及鐵心在不同環(huán)境溫度下的磁性能變化趨勢可能會有差異。綜合考慮了溫度對取向硅鋼材料及變壓器鐵心磁性能的影響，分別從材料及產(chǎn)品模型兩個方面開展了實(shí)驗研究。將用于測量取向硅鋼材料磁性能的愛潑斯坦方圈，及基于變壓器鐵心產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計制作的產(chǎn)品級鐵心模型，分別置于溫控實(shí)驗箱中，在環(huán)境溫度25 ℃、50 ℃、75 ℃、105 ℃條件下，分別測量得到取向硅鋼材料及鐵心模型的磁性能。并分析不同環(huán)境溫度下取向硅鋼的磁性能變化規(guī)律，以使在仿真建模計算中所使用的磁化曲線和損耗曲線更加接近變壓器鐵心的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，為電力變壓器仿真計算及進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗研究方法

為了系統(tǒng)研究取向硅鋼在不同環(huán)境溫度下的磁性能表現(xiàn)，分別從材料及產(chǎn)品模型兩個方面開展了實(shí)驗研究。

選取了寶鋼B27R095取向硅鋼材料為研究對象。首先，利用愛潑斯坦方圈磁性測量系統(tǒng)(制造商：湖南同電)對不同環(huán)境溫度條件下材料磁性能進(jìn)行測試。將剪切好的標(biāo)準(zhǔn)愛潑斯坦方圈測試樣片(30樣片斯坦方圈，共48片)放入方圈測試系統(tǒng)并固定后，將方圈放入溫控實(shí)驗箱中，分別調(diào)節(jié)環(huán)境溫度至25 ℃、50 ℃、75 ℃、105 ℃，為保證測量時的材料溫度與設(shè)定的環(huán)境溫度相同，在每個環(huán)境溫度下，達(dá)到該環(huán)境溫度后，需保持該溫度至少2 h以上才能展開測試。并且，為了保證測量數(shù)據(jù)的有效性，需連續(xù)測試三次且三次測試之間的測量誤差在1 %以內(nèi)。圖1為愛潑斯坦方圈磁性能測量系統(tǒng)及溫控實(shí)驗箱。

圖1 愛潑斯坦方圈磁性能測量系統(tǒng)及溫控實(shí)驗箱Fig.1 Measuring system of Epstein framemagneticproperties andtemperature controltest box表1 鐵心模型設(shè)計參數(shù)Table 1 Core model design parameters

項目性能參數(shù)硅鋼片型號B27R085硅鋼片密度/(kg·m-3)7.65×103模型鐵心設(shè)計截面面積/mm22.0×103鐵心疊片寬度/mm100鐵心疊片系數(shù)0.97鐵心框外幾何尺寸/mm800鐵心框內(nèi)幾何尺寸/mm600模型鐵心設(shè)計質(zhì)量/kg41.55激磁線圈匝數(shù)/匝144(兩根并繞,單層)激磁線圈線規(guī)?磁線7mm測量線圈匝數(shù)/匝144(單層)測量線圈線規(guī)?0.6mm

然后，以采用同樣的B27R095取向硅鋼材料，基于變壓器鐵心實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計制作的產(chǎn)品級鐵心模型為實(shí)驗對象，研究環(huán)境溫度對變壓器鐵心磁性能的影響。該鐵心模型幾何尺寸如圖2所示，主要設(shè)計參數(shù)見表1。

圖2 鐵心模型設(shè)計幾何尺寸(單位:mm)Fig.2 Geometric dimensionsof core model

將鐵心模型放入溫控實(shí)驗箱中，分別調(diào)節(jié)環(huán)境溫度至25 ℃、50 ℃、75 ℃、105 ℃。同樣，為保證測量時的材料溫度與設(shè)定的環(huán)境溫度相同，在每個環(huán)境溫度下，達(dá)到該環(huán)境溫度后，需保持該溫度至少2h以上才能展開測試。圖3為鐵心模型在溫控實(shí)驗箱中。

圖3 鐵心模型在溫控實(shí)驗箱中Fig.3 Core model in the temperaturecontroltest box

2 實(shí)驗結(jié)果及分析

2.1 材料測試實(shí)驗結(jié)果

表2為在環(huán)境溫度25 ℃、50 ℃、75 ℃、105 ℃條件下測量得到取向硅鋼材料損耗數(shù)據(jù)。

表2 損耗數(shù)據(jù)Table 2 Loss data

圖4為B27R095在四種等級溫度下的損耗曲線。

圖4 不同等級溫度下的損耗曲線Fig.4 Loss curves under differentgrades of temperatures

表3為在環(huán)溫50 ℃、75 ℃、105 ℃時分別相對25 ℃時的損耗差百分比。其計算式：

(1)

式中:PPy為差百分比；Ploss(y)為環(huán)境溫度50 ℃、75 ℃或105 ℃時的損耗值；Ploss(25)為環(huán)境溫度25 ℃時的損耗值。

表3 損耗差百分比Table 3 Loss difference percentage

從B27R095取向硅鋼材料在不同溫度下的損耗數(shù)據(jù)及曲線可以看出，在任意固定的磁密點(diǎn)，隨著溫度的變化而變化，隨著溫度的升高，損耗逐漸降低，損耗性能變好。

表4為B27R095取向硅鋼在環(huán)境溫度25 ℃、50 ℃、75 ℃、105 ℃的磁化性能數(shù)據(jù)。

表4 磁化性能數(shù)據(jù)Table 4 Magnetizationproperty data

圖5為B27R095取向硅鋼材料在不同環(huán)境溫度下的磁化曲線。

圖5 不同等級溫度下磁化曲線Fig.5 Magnetization curves under differentgradesoftemperatures

從B27R095取向硅鋼在不同溫度下的磁化性能數(shù)據(jù)及曲線可以看出，在Bm≤1.2 T時，隨著溫度的升高，達(dá)到任意工作磁密所需Hm有一定程度減小，但幅度不大。在Bm≥1.3 T時，隨著溫度的升高，達(dá)到任意工作磁密所需Hm增加，磁密越大，Hm增加的幅度越大。基于1.7 T工作點(diǎn)的考慮，隨著溫度的升高，其磁化性能逐漸變差。

2.2 模型測試實(shí)驗結(jié)果

表5為分別在環(huán)境溫度25 ℃、50 ℃、75 ℃、105 ℃時測量得到的鐵心模型損耗數(shù)據(jù)。

表5 鐵心模型(B27R095)損耗數(shù)據(jù)Table 5 Lossdata of core model (B27R095)

圖6為在四種等級溫度下的損耗曲線。

圖6 不同環(huán)境溫度下的鐵心損耗曲線Fig.6 Core loss curves underdifferent temperatures

表6為在環(huán)溫50 ℃、75 ℃、105 ℃時分別相對25 ℃時的損耗差百分比,其計算方法按式(1)。

表6 損耗差百分比Table 6 Loss difference percentage

從不同溫度下的損耗數(shù)據(jù)及曲線可以看出，在任意固定的磁密點(diǎn)，隨著溫度的升高，鐵心模型損耗逐漸降低。因此，在溫度逐漸升高時，鐵心模型的損耗性能變好。

表7為鐵心模型在環(huán)境溫度25 ℃、50 ℃、75 ℃、105 ℃的磁化性能數(shù)據(jù)。

表7 磁化性能數(shù)據(jù)Table 7 Magnetizationproperty data

圖7為鐵心模型在不同環(huán)境溫度下的磁化曲線。

圖7 鐵心模型在四種等級溫度下的磁化曲線Fig.7 Magnetization curves of core model under4grades of temperatures

從鐵心模型在不同溫度下的磁化性能數(shù)據(jù)及曲線可以看出，在Bm≤1.2 T時，隨著溫度升高，達(dá)到任意工作磁密所需Hm有一定程度減小，但幅度不大。在Bm≥1.3 T時，隨著溫度的升高，達(dá)到任意工作磁密所需Hm增加，磁密越大，Hm增加的幅度越大。基于1.7 T工作點(diǎn)的考慮，隨著溫度的升高，其磁化性能逐漸變差。

3 結(jié)論與展望

通過對不同環(huán)境溫度下取向硅鋼材料及鐵心模型磁性能實(shí)驗數(shù)據(jù)的比較分析，得到以下結(jié)論：

1)取向硅鋼材料及鐵心模型損耗性能隨溫度變化有相同的變化趨勢，在相同的工作磁密條件下，隨著環(huán)境溫度的升高，損耗逐漸降低。因此，當(dāng)環(huán)境溫度升高，鐵心模型的損耗性能變好。

2)取向硅鋼材料及鐵心模型磁化性能隨溫度變化也有相同的變化趨勢，當(dāng)工作磁密大于1.2 T時，隨著環(huán)境溫度的升高，鐵心模型的磁化性能逐漸變差。

取向硅鋼在不同環(huán)境溫度下的磁性能研究有助于更深入地了解材料及變壓器產(chǎn)品的在運(yùn)行工況條件下的性能，也為電磁仿真計算提供更接近產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行工況的材料磁性能數(shù)據(jù)，從而有助于變壓器產(chǎn)品的設(shè)計及優(yōu)化。

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Experimental research on magnetic properties of oriented silicon steel sheet under different ambient temperatures

LIU Tao1, LIU Lanrong1, ZHANG Junjie1, NIE Jingkai2, LIU Yang2, JIN Wende3

( 1. Baoding Tianwei Baobian Electric Co.,Ltd.,Baoding 071056,China; 2. Global Energy Interconnection Research Institute, Beijing 102200, China; 3.State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Hangzhou 310007, China)

In order to study the influence of ambient temperature change on oriented silicon steel material and transformer core, control to different ambient temperatures can be realized by means of temperature control box.The standard Epstein frame andproduct-level core model which have been put into the testing sample are put into temperature control box separately, in order to study the influence on magnetic properties of orientedsilicon steel sheet under different ambient temperatures.Experiments show that when the working magnetic density is greater than 1.2 T，the magnetization performance of core model gradually worsens, as the ambient temperature increases, But when the temperature rises, the loss performance becomes better.

ambienttemperature;Epstein frame;core model; magnetic properties

2017-07-24；

2017-09-22。

國網(wǎng)公司科技項目SGRIDGKJ[2015]212號。

劉 濤(1984—)，男，碩士，主要從事新產(chǎn)品研發(fā)、電磁仿真和實(shí)驗研究工作。

TM405

A

2095-6843(2017)06-0501-05

(編輯李世杰)