Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

О физических процессах изменения магнитных свойств электротехнической стали и росте потерь холостого хода силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации
 

О физических процессах изменения магнитных свойств электротехнической стали и росте потерь холостого хода силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации

ЦИЦОРИН А.Н.

 

 

Проведены измерения потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуа­тации, показано, что со сроком службы потери в силовых трансформаторах возрастают. Ис­следованы причины увеличения потерь холостого хода в силовых трансформаторах.

Ключевые слова: удельные магнитные поте­ри, старение стали, механические напряжения, коэрцитивная сила, неметаллические включения.

 

Потери в силовых трансформаторах и авто­трансформаторах составляют существенную долю (до 20%) общих потерь электроэнергии в электрических сетях и являются одной из со­ставляющих нормативов технологических по­терь электроэнергии на её передачу [1]. От точности расчёта потерь электроэнергии XX в трансформаторах и автотрансформаторах (осо­бенно на электрических станциях) зависит точность расчёта нормативов технологических потерь и, в конечном счёте, тариф на услуги по передаче электрической энергии.

В последние годы всё большее число авто­ров обращает внимание на рост потерь электроэнергии XX в силовых трансформаторах по мере их старения по сравнению с паспортны­ми данными, измеренными в год выпуска [2]. При этом конструкторы трансформаторов, как правило, утверждают, что потери XX в про­цессе эксплуатации в исправных трансформа­торах, если и увеличиваются, то не более чем на 5% за весь срок службы трансформатора — 40 лет.

Измерения, проведённые нами, показали, что старение трансформатора приводит к рос­ту потерь XX, порой весьма и весьма значи­тельному, в зависимости от условий работы трансформатора и, особенно, качества его ре­монтов в процессе эксплуатации.

Следует особо отметить, что в ОАО «Тольяттинский трансформатор» были рассмотрены данные измерений трансформаторов марки АОРЦТ, проработавших 18 лет на Волжской ГЭС. Оказалось, что произведённые ОАО «Тольяттинский трансформатор» силовые трансформаторы за период эксплуатации так­же увеличили потери XX на 5,65—6,25%. Эти трансформаторы были доставлены для ремон­та. Магнитная система трансформаторов при этом никаким образом не подвергалась ремон­ту и находилась в целостности. Всё это позво­ляет предположить, что по тем или иным при­чинам за период эксплуатации трансформато­ров потери XX неизбежно увеличиваются.

Цель настоящей статьи:

определить структуру потерь XX в трансформаторах;

рассмотреть современные представления о физических процессах, протекающих в электротехнической стали в условиях её эксплуата­ции;

проанализировать факторы, влияющие на структурные составляющие потерь.

Для этого необходимо:

подвергнуть ускоренному старению но­вую электротехническую сталь различных марок и измерить в ней удельные потери;

«состаренные» образцы электротехниче­ской стали подвергнуть отжигу и измерить
удельные потери;

измерить удельные потери в электротехнической стали трансформаторов с большим
сроком службы до и после её отжига.

Факторы, влияющие на структурные составляющие потерь

В качестве основных причин увеличения потерь XX в силовых трансформаторах, опре­деляемых сроком службы, являются:

старение стали из-за нагрева магнитопровода вследствие потерь при перемагничивании сердечников и выделения тепла намагничивающими обмотками [4];

механические воздействия на магнитопроводы в различных режимах работы (вибрация, электродинамические усилия при КЗ и т.д.) и при ремонтах трансформаторов [4];

причины, связанные с износом материа­лов, в том числе:

общее нарушение межлистовой изоляции магнитопровода ввиду старения;

выгорание сердечника магнитопровода;

повреждение изоляции шпилек;

местное нарушение межлистовой изоля­ции;

  ослабление  прессовки  магнитопровода (ввиду усадки стали магнитопровода);

ослабление прессовки стыков;

разрушение изолирующих прокладок в стыках и т.д. [5].

Исследования изменений потерь XX в трансформаторе, определяемых сроком его службы, длительные и к тому же не всегда имеется возможность вывести силовой транс­форматор из работы. Результаты измерений на силовых трансформаторах одного и того же типа с одинаковыми номинальными данными, как правило, различаются из-за факторов «старения» трансформаторов, разброса пара­метров стали магнитопровода, неизбежных случайных отклонений на различных стадиях технологического процесса производства, не­одинаковых условий эксплуатации и т.д. Для определения значений коэффициентов, отра­жающих изменение потерь XX в течение срока службы трансформатора, необходимо чётко представлять физику процессов и причины из­менения потерь.

Физическая природа магнитных потерь в электротехнической стали

Электротехническая анизотропная сталь яв­ляется магнитно-мягким материалом и отли­чается малой площадью петли гистерезиса. Основным параметром, определяющим пло­щадь петли гистерезиса, является коэрцитив­ная сила Нс.

На Нс в основном влияют: внутренние на­пряжения и неметаллические включения.

Негативное влияние на Нс внутренних на­пряжений зависит от их амплитуды и значе­ния магнитострикции λs. Наибольшее отрица­тельное влияние напряжений на Нс проявля­ется, согласно теории Кондорского, когда ам­плитуда внутренних напряжений ∆σi - соизме­рима с толщиной доменных границ δ.

На значение магнитных потерь в электро­технической анизотропной стали оказывают влияние различного рода несовершенства кри­сталлической решётки, примеси, находящиеся в α-твёрдом растворе Fe - 3% Si или в виде неметаллических включений, а также остаточ­ные механические напряжения.

В настоящее время исследованы причины увеличения магнитных потерь в электротехни­ческой анизотропной стали из-за наличия в ней неметаллических включений. Выявлено, что основная причина роста потерь на магнитный гистерезис связана с искажениями домен­ной структуры. В частности, негативное воз­действие оказывают примеси углерода и азота. В [6] приведены результаты исследований, ко­торые показали, что неметаллические включе­ния, размеры (не более 0,5 мкм) которых со­измеримы с толщиной доменных границ, при­водят к резкому (в 1,3—2,0 раза) росту потерь на гистерезис, при этом практически не ока­зывая значимого влияния на изменение по­терь на вихревые токи. Выделяющаяся фаза неметаллических включений (Fe3С, Fe2N, γ-Fe4N) нарушает доменную структуру стали, приводит к многочисленным искривлениям и разрывам доменных границ вблизи мелкодис­персных включений.

Современные технологии и состав оборудо­вания для производства стали позволяют ис­ключить или снизить до минимума возмож­ность загрязнения электротехнических сталей включениями углерод- и азотсодержащих фаз. Но всё же в кремнистых сталях промышлен­ного производства имеются включения кисло­родсодержащих фаз: оксиды кремния и алю­миния, а также нитриды титана, которые спо­собствуют ухудшению потерь на магнитный гистерезис [6].

Экспериментальное исследование факторов, влияющих на магнитные свойства

электротехнической стали

Согласно ГОСТ 21427.1-83 «Сталь электро­техническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая» коэффициент старения по удельным магнитным потерям не должен пре­вышать для сталей марок 3311, 3411, 3412, 3413, 3414, 3415 - 4%; для сталей марок 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409 - 2%. Коэффици­ент старения определяется после нагрева в те­чение 120 ч при 120 — 150 °С в зависимости от типа стали.

С целью исследования влияния загрязнения электротехнических сталей включениями угле­род- и азотсодержащих фаз на Верх-Исетском заводе — крупнейшем производителе транс­форматорной стали в России, нами были про­ведены следующие эксперименты. Электротех­ническая холоднокатаная анизотропная сталь различных марок различных партий, абсолют­но новая и готовая к поставке потребителю, была подвергнута ускоренному старению при t = 225 °С в течение 24 ч. Данные измерений удельных потерь занесены в протокол испыта­ний, после чего, старение повторили при тех же условиях. Затем эти образцы подвергали кратковременному отжигу в проходной печи при t = 850° в течение 3 мин (таблица).

На отдельных образцах коэффициент старе­ния меньше 1%, однако разброс полученных удельных потерь на аппарате Эпштейна для многих образцов находится в пределах по­грешности измерения.

Дальнейшие исследования в области изме­нения удельных магнитных потерь, связанные со старением стали, должны быть проведены при более длительном воздействии температу­ры. Кроме того, необходимо исследовать из­менение магнитных свойств на образцах элек­тротехнической стали со сроком службы.

Электротехнические стали на заключитель­ных стадиях обработки в процессе их произ­водства, а также в процессе обработки у по­требителя (резки пластин, штамповки деталей магнитопроводов, навивке тороидальных магнитопроводов и т.п.) могут подвергаться де­формациям. Деформации, превышающие пре­дел упругости, приводят к остаточным меха­ническим напряжениям.

Остаточные механические напряжения яв­ляются следствием остаточных деформаций (искажений) кристаллической решётки, возни­кающих в стали в результате внешних воздей­ствий: механических, тепловых, электриче­ских, магнитных. Магнитные свойства наибо­лее чувствительны к остаточным механическим напряжениям. Остаточные механические напряжения, приводящие к необратимым объёмным изменениям из-за пластических де­формаций, сохраняются в стали после снятия нагрузки и способствуют ухудшению магнит­ных свойств [6].

Восстановление магнитных свойств элек­тротехнических сталей в виде заготовок маг­нитопроводов после механической обработки возможно с помощью термической обработки. Эффект восстановления магнитных свойств (уменьшения удельных магнитных потерь Ц. 5/5о) составляет 9—16%. Однако термиче­скую обработку заготовок магнитопроводов проводить у потребителя в ряде случаев неце­лесообразно. Установлено, что с ростом габа­ритных размеров магнитопроводов силовых трансформаторов, усовершенствованием их конструкции улучшается технология резки пластин и сборки их в магнитопроводы, повы­шается культура производства. Минимальный уровень остаточных механических напряжений электротехнической стали необходимо обеспе­чить в состоянии поставки [6].

Практика завода-изготовителя ОАО «Толь-яттинский трансформатор» показывает, что приблизительно с 90-х годов прошлого века заготовки магнитопроводов не подвергаются термической обработке. В настоящее время увеличение потерь после сборки магнитопровода не превышает 10% расчётных. На более ранних этапах производства, когда оборудова­ние для обработки заготовок было не столь совершенным, приходилось подвергать сталь дополнительному отжигу.

Для выявления изменения удельных потерь в электротехнической стали были расшихтованы магнитопроводы четырёх трансформаторов мар­ки ТМ 400, находившихся в эксплуатации при­мерно 30—35 лет. Образцы стали с каждого трансформатора были доставлены на Верх-Исетский завод. На аппарате Эпштейна измере­ны удельные потери до и после кратковремен­ного отжига в проходной печи при t = 850°С в течение 3 мин. По результатам измерений вид­но, что после эксплуатации в стали удельные потери возросли на 23-27%. Принимая во внимание значение остаточных механических напряжений, можно сделать вывод о том, что в стали во время работы трансформатора воз­никли дополнительные внутренние напряже­ния, которые могут повлиять на изменения границ зёрен.

Для исследования изменения границ от­дельных зёрен, пластины стали с тех же транс­форматоров, были доставлены в химическую лабораторию МарГТУ г. Йошкар-Олы для снятия изоляционного покрытия. По согласо­ванию с Верх-Исетским заводом изоляцион­ное покрытие снималось в соляной кислоте при t = 75 °С. С помощью сканирующего зон-дового микроскопа ИНТЕГРА Прима при ми­нимальном 100-кратном оптическом увеличе­нии получены фотографии стали на границах зёрен до и после отжига. При детальном изу­чении снимков выявлено изменение границ зёрен. Это позволяет предположить, что в процессе эксплуатации сталь приобретает до­полнительные механические напряжения, ко­торые оказывают влияние на совершенство кристаллографической структуры, что приво­дит к изменению магнитных свойств электро­технической стали.

Для более точного анализа влияния полей механических напряжений использовались приборы, относящиеся к классу электромаг­нитных измерителей напряжений. В будущем планируется провести исследования влияния механических напряжений на магнитные свой­ства электротехнической стали.

Выводы

1.   В течение срока службы силового трансформатора потери XX увеличиваются.  Рост потерь XX в каждом трансформаторе может быть обусловлен условиями и режимами его работы, качеством сборки трансформатора и трансформаторной стали.

2.   Внешние воздействия на магнитопровод трансформатора, такие как температура и механические воздействия в различных режимах работы (вибрация, электродинамические усилия при КЗ и т.д.) и при ремонтах трансфор­маторов, приводят к изменению магнитных свойств электротехнической стали.

3.   Увеличение потерь XX в силовых транс­форматорах происходит из-за изменения магнитных свойств электротехнической стали и за счёт износа материалов.

4.   Причиной старения электротехнической стали  является   повышение   температуры в трансформаторе в течение длительного време­ни, способствующее структурным изменениям в электротехнической стали, называемым про­цессами старения.

5.   В процессе эксплуатации электротехническая сталь приобретает механические напряжения, которые оказывают влияние на совершенство кристаллографической структуры и способствуют ухудшению магнитных свойств.

6.   Дальнейшие исследования в области из­менения удельных магнитных потерь, связанных со старением стали, должны быть прове­дены при более длительном воздействии температуры.

7.   Используя методы и средства измерения механических напряжений необходимо исследовать и оценить их влияние на изменение магнитных свойств электротехнической стали в условиях работы трансформатора.

Список литературы

1. Савинцев Ю.М., Карамутдинов Р.Н., Боков В.А. Энергоэффективные распределительные трансформаторы: проблемы и надежды // Электротехнический рынок. 2010. Вып. 3.

2. Алексеев Б.А., Воротницкий В.Э. Об уточнении нормати­вов и снижении потерь электроэнергии в силовых трансформа торах с учётом срока их службы // Доклады VI научно-техниче­ского семинара-выставки «Нормирование и снижение потерь электрической энергии в электрических сетях-2008». М.: ДиалогЭлектро, 2008.

3. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. Пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

4. Давыдов Г.И., Кобылий В.П. Метод снижения потерь хо­лостого хода в силовых трансформаторах. Якутск: Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, 2008.

5.   Основные   виды   повреждений трансформаторов. http://forca.ra/spravka/transformatory/osnovnye-vidy-povrezhdeniy-transformatorov.html.

6. Казаджан Л.Б. Магнитные свойства электротехнических сталей и сплавов. М.: Наука и технологии, 2004.

 

 

 

 
 
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  ЦИЦОРИН А.Н.О физических процессах изменения магнитных свойств электротехнической стали и росте потерь холостого хода силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации. Электротехника, №  3,  2011.– С.52-57.
Материал размещен на www.transform.ru: 26.04.2011 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????