非晶合金薄带范文

非晶合金薄带范文（精选7篇）

非晶合金薄带 第1篇

关键词：铁基非晶态合金,磁畴结构,制备冷速

0 引言

软磁材料作为很重要的一类磁性材料,在人们的生产和生活中起着十分重要的作用。具有软磁性能的非晶合金主要包括Fe基、Co基和FeNi基非晶合金[1,2,3,4,5,6,7]。由于磁性非晶合金结构均匀,没有晶界和磁晶各向异性,没有沉淀相和杂质,对磁畴壁运动的钉扎作用很小,因而具有低矫顽力、高磁导率、高电阻率和低功耗等优异的软磁性能。再加上其丰富的资源,低廉的成本,成为电力、电子和信息领域不可缺少的重要基础材料,引起了材料学界和物理学界研究人员越来越多的关注[8]。

由于原子长程无序排列,一直以来大家认为非晶态材料不存在各向异性。一些研究者认为非晶薄带及其块体非晶态合金的磁性能仅存在微小的差异,即便是对结构弛豫比较敏感的磁致伸缩和矫顽力。他们认为相同成分的非晶薄带与粉体及不同尺寸的块体非晶态合金的饱和磁化强度几乎没有任何差异[9,10]。然而非晶态合金处于亚稳态,任何制备过程的变化将引起明显的局域各向异性及性质的变化。实验表明,非晶态合金的磁各向异性主要源自制备过程中原子尺度的有序化或成分不均匀性有关的静磁效应,主要受制备过程中形成的自由体积、晶化硬磁和应力的影响[11]。软磁材料的矫顽力和磁导率由磁化过程决定,受畴壁位移的影响,畴壁位移与各向异性、应力、交换相互作用、退磁效应以及结构和表面的不均匀性有关。但非晶薄带及块体非晶态合金的磁畴结构存在怎样的差异,磁畴结构又如何影响非晶合金的软磁性能,这方面的研究报道却很少。对非晶态合金的磁畴结构还缺乏清晰和明确的认识,对磁畴结构如何影响非晶态合金的软磁性能也缺乏相关研究。

Fe基非晶合金的玻璃化形成能力较低,通常通过添加玻璃化形成金属元素(如Nb、Mo、Y、Al和Ga等)来提高Fe基非晶合金的玻璃化形成能力[12,13,14,15,16,17]。近年来,不含任何非晶形成元素的Fe基块体非晶合金也被开发出来[3,17,18,19]。其中,2009年日本的Makino研究组开发的Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19非晶棒材具有达3mm的临界直径,1.44T的高饱和磁化强度以及1.2A/m的低矫顽力[19]。本工作以Fe76P5(B0.5Si0.3-C0.2)19非晶态合金为研究对象,利用磁力显微镜对其非晶薄带及非晶块体棒材的磁畴结构进行观察和分析。通过对比两种试样的磁畴结构,分析和讨论了非晶薄带与块体非晶态合金磁性能存在差异的原因。

1 实验

1.1 Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19非晶态合金的制备

实验合金的成分为Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19。以高纯度Fe(≥99.99%)、Si(≥99.99%)、B(≥99.5%)、铁磷(Fe-P)合金(≥99.99%,P:18%)和铁碳 (Fe-C)合金 (≥99.99%,C:3.6%)为原料,采用真空感应熔炼炉在氩气保护下熔炼成母合金,再采用单辊快淬法制备厚度为25μm、宽度为1.2mm的非晶薄带。利用J-quenching技术制备长度约为10cm,直径为1~2mm的柱状非晶态合金,具体过程为:将约2g母合金放入针状石英管中,用火枪融化;置于高温炉中,在2450K的温度下保温300s;连同石英 管一起淬 入水中,快速凝固,形成块体非晶态合金棒。通过控制特制针状石英试管下部薄壁石英试管的直径和壁厚,来控制合金样品的冷速以及所得样品的直径。其基本工作原理如图1所示,详细的实验过程可参考文献[20,21]。

1.2 样品的性能及表征

采用德国Bruke公司的D8Advance型粉末衍射仪,使用Cu-Kα(λ=0.154056nm)辐射在室温下对薄带及块体样品进行物相分析。本工作所采用的热分析手段主要是差示扫描量热法(DSC,Differential scanning calorimetry),仪器为德国耐驰(NETZSCH)公司的C404型DSC。通过DSC曲线确定非晶合金的居里温度(Tc),玻璃转变温度(Tg)和晶化温度(Tx),升温速率为0.67K/s。采用美国Lake Shore公司的7410型振动样品磁强计(VSM,Vibrating sample magnetometer),在最大为1T的外加磁化场下,测量合金室温下的磁滞回线,由此可确定样品的矫顽力(Hc)和饱和磁化强度(Ms)。采用德国Bruke公司生产的Icon Scan Asyst型磁力显微镜(MFM)观察非晶薄带自由面及块体非晶态合金纵剖面的磁畴结构。在进行MFM测试前对样品进行抛光,确保样品表面平整。

2 结果与讨论

图2给出了淬态Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19非晶薄带及直径1mm的合金棒的XRD谱,可以看到,样品的XRD谱均呈现一典型的漫散峰,说明样品均为非晶态合金。

2.1 Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19薄带和块体非晶态合金磁畴结构的差异

图3为淬态Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19非晶合金薄带及块体非晶态合金样品的MFM图。图3(a)、(b)分别为非晶薄带自由面经抛光后的表面形貌图及磁畴形貌图,图3(c)、(d)分别为相应块体非晶态合金纵剖面的表面形貌图及磁畴形貌图。从图3(a)、(c)可以看到,抛光表面有很多划痕,非晶薄带及块体表面粗糙度分别为4.51nm及1.9nm,经观察划痕对磁畴形状及结构无明显的影响。图3(b)、(d)显示,Fe76P5-(B0.5Si0.3C0.2)19非晶薄带的磁畴为条状,磁畴平均宽度约为5μm,较宽,方向平行于条带方向;而相应块体非晶态合金的磁畴为枝状闭合畴结构,宽度较小,均匀、密集分布于整个样品内,没有任何取向。

所谓磁畴,是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低退磁场能而产生的方向各异的小型磁化区域。由结构无序性引起的缺陷、局域磁性原子非均匀性、表面粗糙度及内禀磁波动都会影响磁畴的结构。非晶条带的制备冷速较高,液态原子很快被冻结下来,磁性Fe原子均匀 分布于条 带内。但铜棍的高速旋转使非晶沿条带方向产生较大的应力,促使磁畴方向平行于条带的方向。研究发现,低的冷速会引入密堆结构,即短、中程序,增大局域结构的非均匀性[22]。通过Jquenching技术制备的块体非晶,淬火之前在1450K进行了5min的保温,这使其内部应力起伏显著减小,且低的制备冷速使块体非晶态合金样品中的原子处于更弛豫的排布状态。磁性原子的非均匀分布使磁化强度矢量不平行,在非晶表面出现自由磁极,产生退磁场,引起表面的横向磁化,形成具有较低能量的精细枝状畴[23]。

2.2 磁畴结构对 Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19薄带和块体非晶态合金磁性能的影响

图4为淬态Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19非晶合金的饱和磁化曲线,内部插图为其局部放大图。从图4中可以看到,Fe76-P5(B0.5Si0.3C0.2)19薄带的饱和磁化强度(164emu/g)略高于相应块体(161emu/g),其矫顽力则略低于相应块体。

一方面,金属玻璃中矫顽力来源于高的原子局域堆积密度,这与快淬时产生的内应力及自由体积相关[11]。J-quenching的制备冷速约为102K/s[25],远远小于单辊快淬法的制备冷速(~106K/s)。相对于非晶条带,块体非晶的制备冷速较低,原子堆积密度较大,因而矫顽力较大。另一方面,条带内磁畴反平行排列,加外场时,原子磁矩很容易磁化,沿外场方向排列,矫顽力小;而块体中磁畴无取向,畴壁多,磁化阻力大,导致矫顽力大、磁导率小。最后,块体非晶中非磁性原子的非均匀排布对畴壁的移动产生强大的钉扎作用,从而增大了矫顽力[23]。饱和磁化强度产生差异的原因可能是较大的退磁场的存在导致块体样品难以饱和。

图5为Fe76P5(B0.5Si0.3C0.2)19非晶合金 在升温速 度为0.67K/s时的DSC曲线。随着温度的升高,非晶薄带和块体非晶态合金都首先出现了一个明显的居里转变,接下来相继是玻璃转变,紧跟着是过冷液相区,最后经过一步放热过程完成全部晶化。由DSC曲线可以确定,非晶薄带的居里温度(Tc)、玻璃转变温度(Tg)、初始结晶温度(Tx)和过冷液相区宽度(ΔTx)分别为670K、764K、814K和50K;而相应的块体非晶态合金的Tc、Tg、Tx和 ΔTx分别为681K、780K、823K和43K。

同非晶条带相比,块体非晶的Tc、Tg和Tx均向高温方向移动,而过冷液相区宽度(ΔTx)却减小。研究显示,同非晶条带相比,块体非晶态合金中的原子处于更弛豫的状态,且制备冷速会极大地影响金属玻璃的微观结构,从而导致材料物理性质及热力学性质的变化[26]。低的冷却速率会在非晶相中引入高浓度的短中程有序原子基团,这些基团的出现使原子间距减小,从而使Tg和Tx增大。块体非晶合金中存在大量的短程有序结构,可能成为晶化的形核位置,这导致块体的过冷液相区宽度(ΔTx)比薄带窄。Tc为铁磁转变为顺磁的温度,由DSC曲线可以看到,非晶薄带的Tc低于块体非晶态合金。对Fe27Ni53P14B6的研究结果显示,居里温度Tc对结构弛豫及短程有序很敏感,一定范围内Tc随着回火温度升高而增大[27]。因此,相对于非晶条带,Fe-Si-B-P-C非晶块体的结构更加弛豫,且存在较多的中短程有序基团。随着温度的升高,原子热运动的加剧会影响 磁畴磁矩 的有序排列,当温度达居里温度时,磁畴瓦解,平均磁矩变为零,铁磁物质的磁性消失变为顺磁物质,与磁畴相联系的一系列铁磁性质全部消失[24]。由前面磁畴结构观察的结果可知,块体非晶态合金中的磁畴及畴壁密度远远大于非晶条带,所以其需要较高的温度来瓦解磁畴,使平均磁矩变为零,因而块体非晶态合金具有较高的居里温度。

3 结论

非晶态薄带张力控制系统设计 第2篇

关键词：张力控制,非晶态薄带生产线,变频器,三菱Q系列PLC

0引言

非晶态合金又称为金属玻璃,是一种无晶体结构合金,它采用快速凝固技术,运用平面流高速连铸工艺、以每秒100万摄氏度的冷却速度从液态直接凝固成厚度约0.03 mm的薄带。较之传统硅钢薄带,其制造工艺省去了浇铸、轧制、再结晶退火、表面绝缘处理等诸多工序,实现了冶金领域最短的工艺流程,比硅钢制造节省80%的能源[1]。非晶态薄带生产过程中成形速度较快,要求在恒张力(40 N)条件下以27 m/s的速度卷曲。针对以上要求,本文采用三菱Q系列PLC控制变频器转矩的方式,实现薄带卷径变化情况下的恒张力控制。

1系统原理介绍

张力控制系统原理如图1所示,大体分为两个过程。非晶态合金从喷嘴4喷出后,快速冷却凝结在冷却辊1上,通过吹气器3剥离。剥离之后由卷筒2内部的真空吸气装置将薄带吸附到卷筒壁上,从而瞬间建立卷带系统,此为第1个过程。此过程中,假如薄带未被吸附上,就需要喷嘴4重新喷液。之后卷筒向后移动直到碰到限位开关,到位停止后由压辊5压下,托辊6抬起使得薄带与张力传感器7形成150°夹角,从而建立张力,此为第2个过程。整个过程中需要始终保持张力的恒定。

上述两个过程都可以通过控制变频器的转矩来达到控制的目的。过程1时间极短采用开环控制,过程2引入了张力传感器采用闭环控制转矩。

2控制系统的实现

传统的薄带张力控制方式大致有直接张力控制、间接张力控制和直接转矩控制等[2]。前两种方式都是通过放带辊和卷曲辊的速度差建立张力进行控制的。直接转矩控制则是通过变频器直接控制电机的输出转矩来控制张力,其响应速度快、速度可变、不易断带,因此,本项目采用直接转矩方式控制。

2.1 硬件设计

采用三菱Q系列PLC,硬件结构如图2所示。上位机采用VB6.0设计,与PLC通过RS232通讯。为实现转矩控制,变频器的设定速度要高于27 m/s的线速度所对应的电机转速,在此设定为30 m/s。这样在速度饱和的前提下才能保证转矩的存在,进而实现转矩控制。各组成部分的功能如下:

(1) Q02UCPU:内部MOV指令处理速度为0.08 us,通过笔者自行编写的程序可以在0.4 us内完成闭环PID运算,完全可以满足非晶态薄带27 m/s的高速卷曲要求。

(2) 通讯模块:采用QJ71C24N,实现了PLC与工控机的通讯。工控机平台上使用VB编写了上位机界面,可以实时采集张力值、各电机速度值以及各种状态显示等,实现了人机交互。

(3) AD模块:4 mA～20 mA的模拟量输入模块采用0～12 000细分,以高分辨率实时采集张力值,保证了张力闭环的实时性和可靠性。

(4) DA模块:0 V～10 V的模拟量输出模块采用0～12 000细分,直接连接到变频器的模拟量输入通道,控制变频电机的输出转矩,实现快速控制。

(5) 张力传感器:作为核心传感器,采用北京正开仪器有限公司生产的MCL-T6系列张力传感器,高精度、低漂移。传感器的量程为200 N,输出为4 mA～20 mA,激励电压为24 V。

(6) 变频器:采用中源动力通用变频器,可以设定速度和转矩两种模式。根据需要本项目采用后者。

(7) 变频电机:采用中源动力变频调速专用电机YVF系列。

(8) 编码器:采用日本多摩川编码器TS5246N160,直接内嵌于交流异步电机内部,将反馈信号传送给变频器,从而保证了电机速度的稳定。

2.2 软件实现

系统的软件设计主要包括VB编写的上位机程序和PLC梯形图编写的下位机程序两部分。

下位机的梯形图程序部分主要包括PID转矩控制块、状态显示块、手动操作块等。自动执行时,为了实现自动运行时PID的高速运算,将其他不需要的程序设定为待机程序,这样可以大大提高算法的执行速度。程序流程如图3所示。

张力闭环程序采用自行编写的PID算法,其基本原理如图4所示。图4中SV为设定值,PV为测试值,MV为操作值。

由于考虑到响应时间,PID算法只用到了比例环节:

MV=MV0+Kp(PV-SV)。

其中:MV0为初始操作值;Kp为比例系数。

对于初始操作值的选定可以通过实验获得:首先通过PLC的DA模块设定不同的模拟量输出值,记录不同模拟量对应的张力传感器的数值,然后根据所需张力值选定模拟量初始值,通过上位机界面上的速度、张力实时监测曲线,可以更加直观方便地选定合适的值。表1为PLC程序中用到的重要软元释义。

3实验结果分析

上位机实时监视如图5所示,经过对变频器参数的反复设定和对PID参数的反复调试,最终张力值随着变频器的操作值上下波动,但基本稳定在要求的浮动范围内,整个过程中没有断带现象,达到了预期的目标。

4结论

经过长时间的调试证明,基于三菱Q系列PLC的控制算法控制变频器完全可以满足薄带高速、恒张力下的自动卷曲和控制要求,控制效果良好,满足了设计要求。

参考文献

[1]周少雄,陈文智.非晶态合金材料的发展现状及在配电变压器中的应用[J].新材料产业,2010(3):39-43.

非晶合金薄带 第3篇

巨磁阻抗效应即交流阻抗随外加直流磁场的变化而显著变化的现象,由于其在低磁场下具有灵敏度高、磁滞小、温度稳定性好、响应快和功耗低等优点,在微型磁传感器、高密度磁记录头等方面具有很大的应用价值[1,2],引起各国学者的广泛关注。GMI效应的应用领域非常广泛,主要应用于交通运输、生物医疗、自动控制、安全生产、国防等行业。近年来,对GMI效应的研究已扩大到薄带、薄膜、多层膜和微管,材料组分也由钴基非晶进一步扩大到铁基非晶和铁基纳米晶软磁合金[3,4]。GMI效应的机理在低频时为磁致感抗效应,随着频率的增大则涉及趋肤效应乃至铁磁共振现象等[5]。

富钴CoFeSiB高导磁非晶合金满足K、λs0的条件,具有十分优异的软磁性能。熔融抽拉法制备非晶丝具有冷却速率高的优点,而国内外对此类非晶丝GMI效应的研究甚少。本课题组用熔融抽拉法制备了钴基非晶丝,通过对驱动电流和频率的选择已得到最高达620%以上的GMI比率,测量中最大的磁场灵敏度达到35.5%/Οe,已具有一定的实际应用价值[6]。这说明此组分非晶材料的确具有极佳的软磁性能,环向磁导率较高,拥有良好的应用前景。交流电流退火既可以起到普通退火的作用,又可以产生环向磁场从而具有环向磁场热处理的独特效果。本实验在上述研究结果与分析的基础上,对Co68.25Fe4.5Si12.25B15非晶丝和薄带采用交流电流退火,寻找得到更高GMI比率或者磁场灵敏度的电流退火条件,并且比较了非晶丝和薄带的GMI效应。研究中涉及到磁阻抗比的2种常见定义方法:

undefined100% (1)

undefined100% (2)

式中:Z(H)、Z(H=0)、Z(Hmax)分别是直流偏置磁场为H、0以及实验时所加磁场最大时材料的阻抗。本实验中分别称这2种定义为GMI比率(1)和GMI比率(2)。

1 实验

在高频感应加热熔融合金的条件下,用铜轮抽拉制备Co68.25Fe4.5Si12.25B15非晶丝材料,在同一装置中,用单辊急冷法制备同组分非晶薄带材料[7]。X射线衍射分析和差热分析均表明2种材料具有典型的非晶态特征。分别剪取宽2mm、厚30μm、长6cm的非晶薄带和直径35μm、长6cm的非晶丝样品若干根,第一根非晶丝和薄带为制备态,其余用密度为5106~1.5107A/m2的交流电流退火处理30min。使用HP4294精密阻抗分析仪并采用四探针技术来测量磁阻抗,通过测量样品两端的电压变化来获取阻抗的变化。测量时驱动电流流过带和丝的长度方向,外加直流磁场由Helmholtz线圈提供,线圈的轴向与地磁场方向垂直,最大外加磁场为8kA/m,磁场方向沿丝或带的长度方向。交流驱动电流频率为9.5MHz,密度为1.43106A/m2。

2 结果与讨论

图1为制备态非晶丝和薄带的GMI比率(1)随外磁场变化的曲线。由图1可知,制备态非晶丝的巨磁阻抗效应明显强于制备态非晶薄带,非晶丝的GMI比率达620%,远高于薄带的310%;非晶丝的GMI曲线呈现明显的双峰,而薄带的GMI曲线则表现为单峰形状。制备态非晶丝的巨磁阻抗比率高于非晶薄带,可理解为非晶丝在熔融抽拉制备过程中由于铜轮轮缘的吸热冷却,细丝固化将沿着径向进行,应力也沿径向,极高的固化速率将给材料留下较高的淬火应力,而此类钴基材料具有很小且负的磁致伸缩系数,使材料的外壳出现环向易磁化轴[8],这也是GMI曲线出现双峰形状的原因;而单辊急冷制备的薄带,其固化过程中热量的传递方向为横向,使得材料出现纵(轴)向易磁化轴[9],无横向各向异性,曲线为单峰。

经不同交流电流密度退火处理后,非晶丝和薄带的GMI效应都发生了明显变化。非晶丝的最大GMI比率随退火电流密度的增大而减小;而薄带的最大GMI比率随退火电流密度的增大则是先增后减,在电流密度为1107A/m2时出现最大值466%,见图2。这说明交流电流退火虽然能感生出环向或横向易磁化轴,但并不一定对GMI产生有利影响。经低于1.0107A/m2电流退火后薄带的最大GMI比率明显上升,且出现最大值,说明适当的电流退火能显著改善薄带的GMI效应。

实验还发现退火后薄带的GMI曲线变为典型双峰状,且GMI比率(2)大大上升,如图3所示。为便于观察,图3中仅作出了4条不同大小交流电流退火后的GMI曲线。通过与图1比较,发现电流退火使薄带的GMI曲线由制备态的单峰变为典型双峰,且随退火电流的增大,双峰间距变大(图中峰位对应的外磁场Hp随退火电流密度的增大依次约为50A/m、70A/m、80A/m、140A/m)。Hp正比于横向各向异性场HK[10],可见,电流退火感生出的横向各向异性场随退火电流的增大而增大。从图3中还可发现,当横向各向异性场高于某一数值后,反而不利于GMI效应。值得重点关注的是当退火电流密度为0.96107A/m2时,GMI比率(2)达到最大值410%,磁场灵敏度高达5.1%/(A/m),具有极高的应用价值[11]。

图4为不同电流退火后非晶丝的GMI比率(2)随外磁场变化的曲线。可见,与薄带一样,图中峰位对应的外磁场Hp随退火电流密度的增大而增大,再次说明电流退火能够感生环向(横向)各向异性。由图4还可以发现,与薄带不同,当外磁场高于Hp后曲线下降非常缓慢,说明外加纵向磁场很难改变电流退火后非晶丝的环向磁畴结构。比较图2和图4可以发现,随退火电流密度的增加GMI比率(1)和GMI比率(2)的变化趋势并不相同。与制备态相比,电流退火能使非晶丝的GMI比率(2)明显增大,由24.8%上升到最大值176%,最大磁场灵敏度也有较明显的增大,但非晶丝的最大磁场灵敏度不到1%/(A/m),仍远低于薄带。

3 结论

对制备态和交流电流退火后的Co68.25Fe4.5Si12.25B15非晶丝和薄带的GMI效应进行了比较,发现制备态非晶丝的GMI效应明显强于薄带,而电流退火后薄带的这一效应显著增强。随退火电流密度的增大,非晶丝的GMI比率(1)单调减小,而薄带则先增后减出现极大值466%。值得关注的是退火后薄带的GMI比率(2)大大上升,当退火电流密度为0.96107A/m2时,GMI比率(2)达到最大值410%,磁场灵敏度高达5.1%/(A/m),各向异性场约为80A/m,此材料用来制作弱磁场传感器的潜力巨大。实验还发现,随退火电流密度的增大非晶丝GMI比率(1)和GMI比率(2)的变化趋势不同,且过强的环向(或者横向)各向异性反而不利于GMI效应等现象和规律。

参考文献

[1]Makhnovskiy D P,Panina L V,Mohri K,et al.Off-diago-nal impedance in amorphous wires and application to linear magnetic sensors[J].IEEE Trans Magn,2004,40:3505

[2]Lin Genjin(林根金).The study of the GMI magnetic field measuring instrument GMI(磁场测量仪的研究)[J].J Zhe-jiang Normal University:Natural Sciences(浙江师范大学学报:自然科学版),2008,31(4):416

[3]Alves F,Rached L A,Moutoussamy J,et al.Trilayer GMI sensors based onfast stress-annealing of FeSiBCuNb ribbons[J].Sensors Actuators A,2008,142:459

[4]Anh-Tuan Le,Chong-Oh Kim,Nguyen Chau,et al.Soft magnetic properties and giant magneto-impedance effect of Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=1-5)alloys[J].J Magn Magn Mater,2006,307:178

[5]Knobel M,Pirota K R.Giant magnetoimpedance:concepts and recent progress[J].J Magn Magn Mater,2002,242-245:33

[6]Jiang Yanwei(蒋颜玮),Fang Jiancheng(房建成),Sheng Wei(盛蔚),et al.Progress in study of magnetic sensors utilizing giant magneto-impedance effect(巨磁阻抗磁传感器的研究进展)[J].Instrument Techn Sensor(仪表技术与传感器),2008(5):1

[7]Wu Ji wen(武继文),Li Chungui(李春贵),Tu Guohua(屠国华).Fabrication of soft magnetic amorphous alloy fibre(高导磁非晶合金纤维的研制)[J].J Nanjing Normal Universi-ty:Natural Sciences(南京师范大学学报:自然科学版),2002,25(4):53

[8]Vázquez M,Hernando A.Asoft magnetic wire for sensor applications[J].J Phys D:Appl Phys,1996,29:939

[9]Francoa C S,Ribasa G P,Bruno A C.Influence of the ani-sotropy axis direction and ribbon geometry onthe giant mag-netoimpedance of Metglas(2705M[J].Sensors Actuators A,2006,132:85

[10]Machado F L A,Rezende S M.Atheoretical model for the giant magnetoimpedance in ribbons of amorphous soft-ferro-magnetic alloys[J].J Appl Phys,1996,79:6558

非晶变压器及非晶合金的市场展望 第4篇

非晶是一种新型软磁合金材料。其原子排序的无序性使得其软磁性能兼备了各种传统软磁材料的优点, 如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等。当材料具有超微细晶粒结构时, 则具备很高的初始磁导率、高饱和磁感、低铁损和优良的稳定性, 满足了各类电子设备向高效节能、微型化、集成化方面发展的需求, 而且成本低廉。

将此类优异性能的铁基非晶配电磁芯用于替代常规变压器中的硅钢片, 即非晶合金铁芯变压器。非晶变压器磁芯的带状非晶合金薄片是经过层层堆叠和机械成型达到铁心设计的物理性状, 其制造参数均经精确计算。而我们现有的一般叠绕方式是10片叠在一起形成一组, 多组叠在一起形成一套, 多套叠在一起再绕成一个环状, 形成一个磁芯框, 每一组间搭接长度为mm, 搭接口在铁轭处。同时在制造磁芯框时需保证所用的非晶带材宽度相同, 即将磁芯截面设计为矩形, 以保证磁性能优势的发挥。

非晶合金变压器比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗 (指变压器次级开路时, 在初级测得的功率损耗) 下降80%左右, 空载电流 (变压器次级开路时, 初级仍有一定的电流, 这部分电流称为空载电流) 下降约85%, 是目前节能效果较理想的配电变压器, 特别适用于农村电网和发展中地区等配变利用率较低的地方。

2 国内外非晶变压器的应用

2.1 国外非晶变压器的形势概述

美国是世界上最早开发非晶合金材料和非晶变压器的国家。现在美国有9家以上的企业采用非晶合金生产非晶合金配电变压器, 其中美国联信、通用和西屋三家非晶配电变压器制造厂的年生产力超过15万台。

欧洲 (主要指欧盟中的西欧国家) 的6~l0k V级配电变压器总台数基本上和美国相当, 也有4 000多万台。欧盟中的英国、法国、德国、荷兰、比利时及瑞典和瑞士都有大量应用。

日本由于资源有限, 非常重视节能型配电变压器的生产和应用。日本生产非晶合金配电变压器的有大阪变压器厂、日立公司、东芝公司, 高岳制作所、爱知电机公司等, 年生产能力超过l0万台, NAMCO公司以前主要生产非晶合金铁芯, 最近也开始生产非品合金配电变压器。

东南亚的马来西亚、印尼、菲律宾、泰国等国和南亚的孟加拉、尼泊尔等国都积极推广应用非晶合金配电变压器, 成为非晶合金配电变压器的一个重要应用市场。

2.2 国内非晶变压器的市场分析

我国目前约有800万台配电变压器挂网运行, 农村电网需要改造, 若其中15%的S9高耗能配电变压器更换为非晶节能变压器, 非晶配电变压器为120万台, 每台配电变压器的平均容量约为315kva, 则需非晶带材68万吨, 每年生产的非晶带材20年有效运行周期内可节电约1050亿千瓦时, 可减排二氧化碳1亿吨。

非晶高效电机作为非晶材料应用的又一个新兴领域, 对于我国工业电机系统的节能, 意义则更为巨大。电机系统用电在我国电力消费结构中所占比例高达60%以上, 而我国现行主体系列电机的平均运行效率仅为87.6%, 低于国际先进水平2~3个百分点, 全国每年为此多耗电约1500亿千瓦时。目前国际上采用非晶合金定子铁芯开发研制的非晶电机, 运行效率均可达到95%的水平, 所蕴含的节点潜力将非常可观。

现我国成为继“日立金属”之后, 世界上第二个拥有非晶带材工业化生产能力的国家, 为我国在电力和电子行业大规模应用非晶材料, 开发高效节能产品, 以及延伸非晶高端制造产业链奠定了发展基础。

3 非晶变压器的前景展望

综上可知, 在电力电工领域, 采用非晶纳米晶软磁合金作为铁芯材料的变压器, 其空载损耗可比同容量的硅钢芯变压器降低60%~80%。

铁基非晶纳米晶软磁合金符合21世纪新材料发展的节能化、环保化要求, 是一种绿色环保的节能材料, 其正在成为硅钢片、铁氧体等传统软磁材料的有利竞争者。建议加快推动非晶配电变压器在电网系统的推广应用, 出台非晶应用产品推广的相关鼓励政策。

⑴从推动电力系统节能减排的角度, 建立配电变压器、变电站电抗器、工业电机等产品入市的能效准入机制, 强力推动使用高效节能的产品, 分阶段强制淘汰更换高耗能的产品。

⑵结合社会“碳交易”的平均价格, 建立统一的国家节能减排绿色补贴机制, 按照产品使用平均寿命周期之内的节电量或二氧化碳减排量, 由国家对生产或使用的绿色能产品进行成本或价格补贴。

⑶加快推动非晶下游产业链的大规模发展和节能产品的推广应用, 保障非晶材料原料供应和产品成本风险的控制, 我国应建立鼓励发展和实验国产化非晶的相关政策。

⑷国家电网公司作为非晶配电变压器的核心用户, 从同一变压器节能计量方式的角度, 应成为配电变压器节能受益者, 以及国家绿色补贴和优惠政策的积极推动者。

非晶合金变压器应用研究 第5篇

1.1 非晶合金变压器的研究意义

在配电网的损耗组成中, 变压器损耗约占比30~60%, 其中空载损耗约占变压器损耗的50~80%, 因此降低变压器的损耗是降低配电网损耗的主攻方向和节能的主要环节。

非晶合金变压器节能效果明显, 其显著特点是空载损耗很低, 仅为S11系列油浸式变压器的20%左右, 符合国家产业政策和电网节能降耗的要求, 是目前节能效果较理想的配电变压器。

目前我国在电网运行使用的非晶合金变压器占配电变压器的比重为7~8%, 其余大部分仍是传统的硅钢片变压器。因此, 加强对非晶合金变压器在变电站中应用研究, 可推动非晶合金变压器在全国范围内得到推广使用, 达到节能减排的效果。

1.2 论文研究内容

站用变损耗作为变电站损耗的重要组成部分, 而非晶合金变压器可以极大的降低站用变空载损耗, 本文基于对非晶合金变压器的分析主要工作如下:

(1) 首先分析和研究了非晶合金变压器特性, 介绍了其工艺结构和技术性能, 分析了其负载损耗和空载损耗;

(2) 以上海碧海220k V变电站为依托, 对比分析了站用变采用非晶合金变压器和S11型硅钢片变压器的站用变损耗和经济效益, 得出站用变在采用非晶合金变压器后, 可以显著降低站用变损耗、减少站用变运行成本。

2 非晶合金变压器的特性分析

2.1 非晶合金变压器的工艺结构

非晶合金是先将铁、镍、硼、钴、硅和碳等材料熔化使其在液态的状况下迅速进行冷却, 一次性形成金属薄片, 该种合金不存在晶格或晶界, 被称作非晶合金。非晶合金材料工艺主要流程如图1所示。非晶合金分为三类, 分别为铁镍基非晶合金、铁基非晶合金以及钴基非晶合金, 合金厚度相当薄, 仅为0.03mm, 具有相当大的硬度, 具有剪切困难的缺点, 最大宽度为210mm左右, 具有很好的压力敏感性, 但是铁芯与绕组需要具有各自的机械支撑系统。

非晶合金变压器的组成主要为四个单独铁芯框, 它们同一平面内进行组合, 以组成三相五柱式, 退火处理是制作变压器的必须流程, 并带有交叉铁轭接缝, 截面呈长方形。单独进行绕组的制作, 其形式一般为矩形层式, 层数可以是双层或多层。油箱采用全密封波纹结构, 能够减少维护方面的麻烦。

非晶合金铁芯变压器在空载情况下具有较低的损耗值, 这是其较为突出的优点。在实际生产过程中, 变压器的性能受制于设计与制作工艺。因此在实际生产变压器当中需要注意以下几点:

(1) 非晶合金材料具有较低的饱和磁密, 进行设计过程中, 变压器的额定磁密应当根据材料自身的磁密, 为尽可能降低空载损耗值, 磁密值一般选取1.3~1.35T。

(2) 非晶合金材料厚度为0.03mm, 其叠片系数一般在82~86%。

(3) 为了减少维护, 变压器一般设计为全密闭。

(4) 考虑到非晶合金片材料的硬度高, 设计变压器时减少剪切非晶合金材料的次数。

(5) 由于非晶合金敏感于机械应力。设计传感器时, 应抛弃传统的以铁芯作为主要承重结构的方式。

(6) 非晶合金铁芯片进行退火处理, 以获得更好的低损耗。

(7) 制作非晶合金变压器过程中, 不能将非晶合金片压缩的过紧, 否则将会使变压器在使用过程中噪音增大。

2.2 非晶合金变压器技术性能

三相四框五柱式结构是非晶合金变压器常用的结构形式, 为了减少谐波对电网可能造成的影响, 提高电网的供电质量, 联结组一般使用Dyn11。由于在三相负荷不平衡的情况下会导致三相电压失衡等严重后果, 因此三相四框五柱式结构禁止使用Yyn0联结方式。

变压器的损耗来源主要有两个, 一个是变压器的铁芯, 引起铁损耗。一个是线圈中含有的阻抗, 引起铜损耗。

2.2.1 非晶合金变压器铜损耗

变压器的线圈使用的材料为绝缘铜线, 由于铜导线当中存在电阻, 通电时就电阻的存在会产生热量, 降低变压器的工作效率。铜损耗的大小取决于铜材料的选择以及变压器的制造工艺。

2.2.2 非晶合金变压器铁损耗

变压器中由于铁芯引起的铁损耗包括两部分, 涡流损耗以及磁滞损耗。交流电通过变压器时, 由线圈感应产生的磁力线会变化, 不断变化的磁力线会导致铁芯内部出现摩擦, 产生能量损耗, 该损耗即为磁滞损耗。

由电磁感应规律, 由于铁芯也为导体, 因此变压器工作过程中磁力线的存在会使得铁芯出现感应电流, 该电流会自动闭合形成旋转状的环流, 因此被称作涡流, 由涡流产生的能量消耗称为涡流损失。

变压器的磁滞损耗与磁滞回路包含在内的面积成正相关, 与冷轧硅钢片相比, 非晶合金的矫顽力约是后者的1/7, 它所包含的面积较小, 因此从磁滞损耗方面来讲, 非晶合金变压器的损耗能够大大降低。涡流损耗与铁芯材料以及电阻率有关。铁芯材料越厚涡流损耗越大, 而电阻率成反相关。非晶合金材料具有较薄的厚度, 且与冷轧硅钢片相比, 电阻率能达到后者的3倍, 因此, 将非晶合金应用到变压器的制作上, 能够极大的降低由铁芯引起的涡流损耗。

目前广泛采用的S11型变压器, 其铁心所采用的导磁材料通常为30Z140高导磁冷轧硅钢片, 其饱和磁密比非晶合金高, 产品设计时所选取的磁通密度通常在1.65~1.75T之间。这也就是非晶合金铁心变压器比S11型变压器空载损耗低的一个主要原因。表1为三相非晶合金铁心变压器与S11型变压器空载损耗值的比较。

从表1中的统计数据可以看出, 通过采用非晶合金材料, 变压器的空载损耗降低了70~80%。相比传统硅钢片铁芯变压器, 空载损耗大幅降低, 是目前非常理想的低损耗节能变压器。由于损耗低, 非晶合金变压器发热少、温升低, 运行性能非常稳定。

2.2.3 非晶合金变压器有功损耗率

变压器的有功损耗率是指变压器在运行过程中有功的损耗功率与总有功功率的比值。变压器的有功损耗率受到多个因素影响, 其中最主要的三个因素分别为负载率、功率因数以及变压器的主要技术性能参数。

非晶合金变压器的有功损耗为功率可以按照下式进行计算:

有功功率损耗率为:

式中:P0———空载损耗;

Pk———负载损耗;

Kt———负载波动损耗系数, 一般取1.05;

β———平均负载率;

SN———变压器额定容量;

cosθ———平均功率因数。

3 站用变选型

3.1 站用变压器选择

以上海碧海220k V变电站为例, 选用2台容量为200k VA的35k V站用变压。远期负荷最大时, 站用变压器的负载率约为50%, 如考虑负荷的运行方式, 站用变压器的负载率将更低, 可见站用变压器的负载率较低, 选择空载损耗低的非晶合金变压器作为站用变将具有很明显的优势。

站用电接线为单母线分段接线, 两段母线分列运行。一类负荷分别接到两段母线上, 不重要的负荷可以接至单段母线, 每台变压器容量均大于全站所有负荷容量之和。站用电接线原理图如图2所示。

正常运行状开态下, 两段母线分列运行。在#1站用变出现故障时, 1CB断。此时合上分段开关LCB, 由#2站用变接故障段母线运行。#1站用变故障排除后, 合上1CB, 并断开LCB, 站用变恢复正常运行。

3.2 非晶合金变压器经济效益分析

选用非晶合金变压器作为站用变, 与S11型硅钢片变压器相比, 其年节约电能量是相当可观的。容量为200k VA的非晶合金35k V变压器空载损耗P0=130W, S11型硅钢片变压器空载损耗为P0′=440W。由于两种变压器的负载损耗是一样的, 所以在运行状态时, 相比之下非晶合金变压器降低有功功率损耗P0′-P0=310W。则一台非晶合金变压器每年可减少的电能损耗为:W0′-W0=8760× (P0′-P0) =2715.6k Wh。

若按0.6元/度电价测算, 则每台非晶合金变压器全年可节约电费约为1629.36元/年。

目前35k V的200k VA非晶合金变压器和同规格硅钢片变压器价格分别约为42000元和32000元, 两者价格比为1.3倍, 计算后可以得出, 大约需要5年, 通过节约电能, 即可收回每台非晶合金变压器与硅钢片变压器之间的差价。而一台变压器在正常运行条件下的使用寿命可达40年左右, 其后的40年可节约电费为65174元。本站采用的两台站用变共可节约130348元。

综合以上分析可以得出, 从全寿命周期来看, 采用非晶合金变压器的优势很明显;同时, 由于其损耗降低, 减少了散热, 从而延长了变压器的使用寿命, 为用户节约了维护和检修费用。可见, 非晶合金变压器的综合效益十分明显。

4 结论

随着我国经济建设的高速发展, 能源供应越来越紧张, 特别是电力供需矛盾更显突出, 因此抓好节能产品的推广应用是当前经济建设中不容忽视的一环。

由以上分析可知, 非晶合金变压器节能效果显著, 降低了能源在源头上的损耗, 使其成为新一代绿色环保产品。

非晶合金薄带 第6篇

关键词：Ce-Al-Cu体系,非晶形成能力,差示扫描量热法

1 引言

非晶合金因具备优良的力学、磁学及易加工等性能已成为当前国内外研究的热点[1～10]与此同时, 人们提出了很多评估合金非晶形成能力的参数和准则[11～14]。如用表示晶化起始温度Tx与非晶转变温度Tg之差的过冷液相区ΔTx[11,12]和约化非晶转变温度Trg[13,14]来评估预测合金的非晶形成能力。中科院物理所汪卫华课题组的张博等[15,16]研究发现, Ce_Al_Cu体系是目前发现的大块非晶合金中非晶转变温度最低的体系。其中化合物Ce70Al10Cu20的非晶形成能力非常好[16,17]但并没有相关的实验来分析其非晶形成能力。本研究采用熔体旋淬法制备Ce70AlxCu30_x (x=5, 10, 13) 、Ce80_xAlxCu20 (x=10, 15, 20) 和Ce90_xAl10Cux (x=15, 20, 25) 非晶合金薄带, 通过X_射线衍射 (XRD) 进行物相表征和差示扫描量热法 (DSC) 测量样品在加热过程中的相变反应, 分析了Ce_Al_Cu体系的非晶形成能力及相关参数之间的变化规律。

2 试验

原料:Al块, 纯度99.9% (质量分数, 下同) ;Ce块, 纯度99.9%;Cu块, 纯度99.9%。由于Ce容易氧化, 故在称量样品前需将其打磨, 超声波振荡, 再用酒精清洗。在Ce_Al_Cu三元相图上选择非晶形成能力强的三元成分点, 将原料按所需成分精确配料。

试验步骤:称量9个 (Ce70Al5Cu25、Ce70Al7Cu23、Ce70Al10Cu20、Ce70Al13Cu17、Ce70Al17Cu13、Ce65Al15Cu20、Ce60Al20Cu20、Ce65Al10Cu25、Ce75Al10Cu15) 总重量为12 g的合金, 将配好的原料清洗后放入WK-Ⅱ型非自耗真空电弧炉的铜锅中熔炼。为保证合金成分的均匀性, 合金需反复熔炼6～7次。待母合金熔炼好后, 取出母合金锭, 用砂纸打磨去除表面的氧化皮。取熔炼样品重量4～5 g (最好是一颗) 放入预先用酒精清洗好的石英管中, 将样品放入WK-ⅡB型真空甩带机 (北京物科光电技术有限公司) 中, 抽真空, 用Ar洗气, 当炉内真空度达到310-3Pa后充入高纯Ar, 重复洗气三次, 再在高纯Ar保护下, 以一定的快淬速率制备非晶合金。

相关参数测定:用X射线衍射 (CuKα=1.540 6 A゜, Rigaku D/max2550VB, 日本) 表征合金薄带的相结构;用德国耐驰公司生产的同步热分析仪 (型号为Netzsch STA 449F3 Jupiter) 测定旋淬合金薄带的DSC曲线 (测试温度区间为室温至800℃, 加热速率为20 K/min) 。

3 结果与讨论

3.1 Ce70AlxCu30＿x合金的非晶形成研究

图1是Ce70AlxCu30_x合金在快淬速度为15 m/s下通过单辊旋淬法制备出的非晶XRD衍射图。由图1可见, 在宽的非晶衍射包上弥散分布了一些衍射峰, 说明每个点都形成了以非晶态组织为主的基体, 且三个合金的非晶胞基本吻合, 衍射峰表明有晶体相存在。XRD数据分析表明这些晶体相是Al2O3。从图1还可以看出, Ce70Al10Cu20合金中的衍射峰数和强度低于其他两个合金点, 这表明Ce70Al10Cu20的非晶形成能力优于其他两个合金。

Ce70AlxCu30_x合金铸态样品在快淬速率为15 m/s时的非晶转变温度Tg、晶化起始温度Tx、融化起始温度Tm、液化起始温度Tl、约化非晶转变温度Trg (Trg=Tg/Tl) 、ΔT (ΔT=Tx-Tg) 、粘滞系数η (η=Tx/ (Tm+Tl) ) 见表1。合金铸态样品的晶化转变和非晶过程的DSC测试结果见图2。

表1和图2表明, Ce70AlxCu30_x (x=5, 7, 10, 13, 17) 合金基本呈现出了晶化转变吸热台阶甚至吸热峰、在400～500 K之间的晶化放热峰和600～700 K之间的熔化吸热峰;Tg为350～410 K, Tx略高于400 K, 且随着Al含量的增加和Cu含量的减少, Tx随之升高;Tm略高于600 K;Tl约为700 K, Trg均小于2/3, 而Trg是衡量非晶合金非晶形成能力的一个重要参数。从表1也可以看出, 合金Ce70Al10Cu20的Trg值最小, 这说明Ce70Al10Cu20相对其他合金具有更好的非晶形成能力, 与物相分析相吻合。

3.2 Ce80＿xAlxCu20合金的非晶形成研究

Ce80_xAlxCu20 (x=10, 15, 20) 合金铸态样品在15 m/s快淬速率下的Tg、Tx、Tm、Tl、Trg、ΔT和η见表2。合金铸态样品的晶化转变和晶化过程的DSC测试结果见图3。

表2和图3表明, Ce80_xAlxCu20 (x=10, 15, 20) 合金基本呈现出了晶化转变吸热台阶甚至吸热峰、在400～500 K之间的晶化放热峰和600～700 K之间的熔化吸热峰, Tg为350～650 K, Tx略高于400K, 且随着Ce含量的降低, Tx有升高的趋势, Tm约650 K, Tl略低于700 K, Trg均小于2/3。Ce含量的增加和Al含量的降低有利于降低Trg。其中Ce70Al10Cu20合金的非晶形成能力最好。

3.3 Ce90＿xAl10Cux合金的非晶形成研究

Ce90_xAl10Cux合金在快淬速率为15 m/s下通过单辊旋淬法制备出的非晶的XRD衍射图见图4。由图4可见, 在宽的非晶衍射包上弥散分布了一些衍射峰, 表明有晶体相存在。XRD分析结果表明, 这些晶体相为Al2O3。可以看出Ce65Al10Cu25和Ce75Al10Cu15的XRD衍射图非常相似, 而Ce70Al10Cu20合金中的晶体相衍射峰数和强度低于前两个合金点, 表明Ce70Al10Cu20的非晶形成能力优于其他两种合金。

Ce90_xAl10Cux (x=15, 20, 25) 合金铸态样品在15 m/s快淬速率下的Tg、Tx、Tm、Tl、Trg、ΔT和η见表3。Ce90_xAl10Cu x合金铸态样品的晶化转变和晶化过程的DSC测试结果见图5。

表3和图5表明, Ce90_xAl10Cux (x=15, 20, 25) 合金基本呈现出了非晶转变吸热台阶甚至吸热峰、在400～500K之间的晶化放热峰和600～700K之间的熔化吸热峰, Trg均小于2/3。当Cu为20%左右时, 对Trg影响不大。其中, 合金Ce70Al10Cu20的非晶形成能力最好。

由上述对Ce_Al_Cu体系非晶形成能力的研究可知, Ce70Al10Cu20合金的非晶形成能力最好。这与文献[15, 16]的报道相吻合, 并为Ce_Al_Cu非晶的制备提供了更好的实验数据和理论依据。

3.4 不同冷却速率对非晶形成的影响

图6是Ce70Al10Cu20合金在快淬速率分别为15 m/s和30 m/s时通过单辊旋淬法制备的非晶的XRD衍射图。结果表明, 两种冷速下都形成了以非晶态组织为主的基体, 且非晶胞基本吻合, 但是冷速为15 m/s的合金的XRD衍射图上弥散分布了一些衍射峰, 表明有晶体相存在, XRD分析结果表明, 这些晶体相为Al2O3。冷速为30 m/s的合金形成的非晶成色明显较好。

Ce70Al10Cu20合金在不同冷速下的Tg、Tx、Tm、Tl、Trg、ΔT和η见表4。合金铸态样品的非晶转变和晶化过程的DSC测试结果见图7。

图7和表4表明, Ce70Al10Cu20合金基本呈现出了晶化转变吸热台阶甚至吸热峰、在400～500 K之间的晶化放热峰和600～700 K之间的熔化吸热峰, Trg均小于2/3。不同冷速对Tg的影响十分明显, 且与冷速成正比。在15 m/s的冷速下, Trg最小。从XRD和DSC的分析可以得出, 快淬速率是决定非晶形成能力的主要因素, 但并不是越快越好, 冷速过快可能会导致Trg值的升高。

3.5 Ce＿Al＿Cu非晶合金的杂质分析

从之前的XRD结果可知, Ce_Al_Cu合金都存在一种杂质, 图8是Ce70Al13Cu17和Ce70Al10Cu20合金的XRD衍射图, 结果表明, 合金均存在Al2O3衍射峰, 而Al2O3具有不同晶型, 常见的是α_Al2O3和γ_Al2O3, 熔点高达2 050℃。由于通过单辊旋淬法制备非晶时的加热温度在700～800℃, 不能熔化Al2O3, 此相可能是原料在空气中已氧化, 或者在非自耗真空电弧炉中熔炼母合金时形成的。为避免产生第二相Al2O3, 应严格控制原料纯度及确保熔炼母合金时熔炼炉内的真空度。

4 结论

(1) Ce含量的适当增加和Al含量的适当降低可降低Trg, 有利于非晶形成。

(2) Cu含量的改变对非晶的形成会产生极大影响, 但当Cu的原子分数为20%左右时, Tg最低;对Tx和Tl的影响亦不大。

非晶合金变压器应用试点节能分析 第7篇

非晶合金变压器因其铁心材料的特殊性能, 空载损耗低, 仅为同容量S9型配电变压器的1/4左右。目前仍属于一种新型节能设备, 其相关技术和制造工艺仍处于不断的发展与完善阶段, 由于缺乏对非晶合金变压器在电力系统中的实际节能效果和产品性能情况的跟踪分析, 用户对应用非晶合金变压器的技术经济性褒贬不一。

1 试点工程建设方案

非晶合金变压器试点应用在不同地区、不同负荷特性的区域实施单配电台区和线路 (或分支线路) 工程试点。

其中不同地区可大体分为三种情况: (1) 经济发达 (或平均负载率较高) ; (2) 不发达 (或平均负载率接近平均水平) ; (3) 欠发达 (或平均负载率较低) 。

不同负荷特性也可分为三类: (1) 日负荷变化明显:路灯变、学校、商业区、居民小区、工业区 (一班制、二班制、三班制) 、乡镇; (2) 季节性负荷:具有手工业、农产品加工业等农村配电台区 (季节性负荷、日负荷变化明显, 空载时间较长) ; (3) 工业区:满载运行时间较长 (三班制全日连续运行) 。

单配电台区试点应用主要考察非晶合金变压器在实际应用中的节能效果、过电压与过负荷情况、以及自身技术性能状况等。在同一配电线路 (或分支线路) 上进行批量试点应用, 主要用于考察非晶合金变压器应用的规模效益, 对配电线路损耗的影响, 在不同区域、不同地区大面积推广应用的必要性及其综合经济效益。

2 应用试点节能分析

试点台区纵向对比以辽宁沈北新区所属的三家村台区为例, 横向对比以河北安新中六一台区和其同条件对比点太阳一台区为例, 试点配电台区高低压侧均装设高精度计量装置和配电监测系统, 进行数据自动采集。试点线路以河北安新新安514线路支线为例, 支线关口装设高压计量组合装置和配电监测系统, 该支线配电变压器的低压侧均装设电量远传终端, 实施自动数据采集和上传。以实时监测数据为依据对试点台区和试点线路在非晶合金变压器应用前后的损耗情况进行对比分析。

2.1 试点台区纵向对比分析

辽宁沈北新区非晶合金变压器应用试点三家子村台区更换前配电变压器型号为S9型, 2008年11月更换为SH15型非晶合金变压器, 因此11月也是非晶合金变压器更换的过渡期, 更换前后的配电容量不变, 均为100kVA, 非晶合金变压器更换前后的有功和无功电量情况及损耗情况具体如表1所示。

由表1可以看出, 三家子A台区在2008年8月至2009年1月的平均负载率为12.35%, 非晶合金变压器更换前2008年8月至10月的平均有功损耗率为6.14%, 平均无功损耗率为45.84%;非晶合金变压器更换后2008年11月至2009年1月的平均有功损耗率为1.68%, 平均无功损耗率为26.30%。由此可见, 三家子A台区在非晶合金变压器更换前后, 平均有功损耗下降4.46个百分点, 平均无功损耗下降19.54个百分点, 节能效果十分可观。

图1和图2分别为三家子A台区在2008年8月至2009年1月有功损耗率变化曲线和无功损耗率变化曲线, 同样可以看出, 三家子A台区在2008年11月更换非晶合金变压器后, 其有功损耗和无功损耗均呈现明显的下降趋势。

2.2 试点台区横向对比分析

非晶变压器应用试点河北安新中六一台区配电变压器型号为SH15型非晶合金变压器, 所选择横向同条件对比点为太阳一台区, 该台区配电变压器型号为S9型, 配电容量均为160kVA。采集数据区间为2008年8月至2009年1月, 两对比台区的具体数据情况如表2所示。

由表2可以看出, 在2008年8月至2009年1月期间, 中六一台区平均有功损耗率为0.596%, 太阳一台区平均有功损耗率为2.552%, 纸坊南变配电台区与南垣村变配电台区相比, 平均有功损耗率下降1.956个百分点。图3为中六一台区与太阳一台区月有功损耗率比较曲线。

由图3可以看出, 采用SH15型非晶合金配电变压器的中六一台区的月有功损耗百分比均低于同时期内采用S7型配电变压器的太阳一台区, 有功损耗降低十分显著。

2.3 试点应用线路分析

河北安新非晶合金变压器应用线路试点, 选择514支线线路, 包括6个配电台区, 配电容量为1135kVA, 2008年9月该支线6台变压器均更换为SH15型非晶合金变压器, 更换前后的总配电容量没有变, 非晶合金变压器更换前后的有功电量及线损情况具体如表3所示。

由表3可以看出, 河北安新新安514支线在非晶合金变压器更换前2008年6月至8月的平均线损率为2.76%;非晶合金变压器更换后2008年9月至2008年12月的平均线损率为2.14%。由此可见, 河北安新新安514支线在非晶合金变压器更换前后, 平均线损率下降0.62个百分点, 在一定程度上体现了非晶变压器应用的规模效益。

3 实际损耗相关因素

配电变压器的在电力系统中运行的损耗大小与许多因素有关, 如配电变压器的制造工艺、实际技术性能参数大小、实际负荷特性 (主要包括负荷性质、负载率、功率因数、三相负荷平衡状况等) , 并非配电变压器的性能代号水平越高, 实际损耗就一定越低。因此, 即使在容量相同的条件下, 损耗水平代号高的配电变压器的实际损耗也可能会高于损耗水平代号低的配电变压器。非晶合金变压器与传统的硅钢片配电变压器相比, 空载损耗显著降低, 但在实际运行中如果空载损耗所占变压器总损耗的比例较小, 其优势并不会十分明显的得以体现, 只有在配电变压器轻载或空载运行时间长, 平均负载率较低时, 其节能效果才可能相对比较明显。

非晶合金变压器规模应用对线损的影响程度也跟很多因素相关, 如线路导线阻抗参数、负载率、线路开关性能、线路功率因数、三相负荷平衡状况等。在保证非晶合金变压器质量, 并且处于近似同等的运行条件下与传统的硅钢片配电变压器相比, 非晶合金变压器规模应用效益一般会有较好的体现。

4 结论

通过分析可以看出, 非晶合金变压器较适用于轻载或空载运行时间较长和平均负载率较低的配电台区和线路。在空载损耗占变压器总损耗的比例较大时, 节能降损效果显著。选用非晶合金变压器应根据台区所带负荷性质和运行特点, 严把质量关, 加强对生产厂家资质考察和产品入网前的测试工作, 不盲目相信宣传, 不以价格为选择产品的依据。在深入分析综合技术经济性的基础上, 积极采用节能环保的配电变压器产品。

参考文献

[1]王金丽, 盛万兴, 向驰.非晶合金配电变压器应用及其节能分析[J].电网技术, 2008 (18) :25-29

[2]姚志松, 姚磊.新型配电变压器结构、原理和应用[M].北京:机械工业出版社, 2006:331-334

[3]杨中地, 武颖.非晶合金变压器[J].变压器, 2007, 44 (7) :1-8

[4]刘涣.浅谈非晶合金铁心变压器[J].变压器, 2007, 44 (4) :15-17