纳米晶合金铁芯在电力互感器中的运用.pdf
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1、第 6期 ( 总第 1 9 3期) 2 0 1 5年 1 2月 机械 工 程 与自 动化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG & AUT0M AT1 0N No 6 De c 文 章 编 号 : 1 6 7 2 6 4 1 3( 2 0 1 5 ) 0 6 0 2 0 1 0 2 纳米 晶合金铁芯在 电力互感器 中的运用 范 浩 ( 山西省机 电设计研 究院, 山西 太原0 3 0 0 0 9 ) 摘要 :首先就纳米 晶合金铁 芯材料性能展开分析 ,并对纳米 晶合金铁 芯与传统硅钢 片材料的 电力互感器铁 芯 进 行对 比,从而探析 纳米晶合金铁芯在 电力 互感 器 中的运用价
2、值 ,并对纳 米晶合金铁芯在 电力互感器 中的运 用 关 键 技 术 展 开 探 讨 , 为 相 关 专 业 人 士提 供 参考 。 关键 词 :纳米 晶合金 材料 ;电力互感器 ;硅钢 片铁芯 中 图 分 类 号 :TM4 5:TGI 4 6 文献 标 识 码 :B 0 引言 纳米晶合金材料与晶态合金材料相 比, 其物理、 化 学以及机械性能等方面都有 着显著优化 , 此种因素使 得纳 米 晶合 金在 电力 领 域 中 的应 用 日趋 广泛 _ l J 。纳米 晶合金是一种新型材料 , 其工频铁损仅仅是硅钢材料 的 3 O 左右 , 因此采用纳米晶合金材料替换传统硅钢 作为电力互感器 的铁芯
3、材料能够有效降低 空载损耗 , 基于此 , 采用纳米晶合金材料替换传统硅钢片材料的 相关研究逐渐增多 。本文就纳米 晶合金材料性能展开 分析 , 并对纳米 晶合金铁芯 与传统硅钢片铁芯在 电力 互 感器 中的应 用进 行 对 比 , 从 而探 析 纳 米 晶合 金 铁 芯 在 电力 互 感器 中的运用 价 值 。 1 纳 米 晶合 金材 料铁 芯 的制 备工 艺 纳米晶合金材料又称非 晶材料 , 人们 日常 中所接 触 的材料大致可分成晶态材料与非 晶态材料。如果材 料 的原子成规律性排列 , 那 么此类材料就称为 晶态材 料 ; 相 反地 , 如 果 材料 原 子 以非 规 律 性 的 方
4、式 排 列 , 那 么则称之为非 晶态材料 , 即纳米 晶合金材料 。通常来 说金 属 的原 子都 是 以有 序 形 式 排 列 , 因此 都 为 晶态 材 料 , 而金属在高温熔化时 , 内部原子十分活跃 , 但 随着 冷却 的进 行 , 原子 活 性会 随之 下 降 , 慢 慢地 恢 复到 规律 性 排 列 的 晶态材 料形 式 , 但 如 果加 快 这一 冷却 过程 , 金 属原 子来 不及 恢 复 到 正 常 的规 律 性 排 列 就 被 凝 固住 , 最终 就会 成 为非 晶态 的纳 米 晶合金 材 料 2 。通 常纳 米 晶合金材料的制备工艺采用 的是人工加快冷却进程 , 实现超级
5、冷凝 固的方式 , 将熔 化状态的高温金属水喷 射在高速旋转状态的冷却辊上 , 金属水 以百万。C s的 冷却速度进行急速冷却 , 最终在不足 I 1 0 0 0 s的时间 内 , 将 1 3 0 0高 温金 属水 急速 降 至 2 0 0以下 , 最终 成为纳米晶合金材料 。 2 纳 米 晶合金 材料 铁芯 在 电力互 感 器 中的运 用 2 1 纳米晶合金铁芯在 电力互感器运用中的性能优势 同等磁密度 的条件下 , 采用纳米 晶合金材料制成 的电力互感器铁芯其损耗仅仅是硅钢材料 的 3 0 左 右 , 而励磁功率仅仅是硅钢片材料 电力互感器铁芯的 5 O , 电阻率却高达硅钢片 的 3倍
6、以上。此外纳米晶 合 金材 料在 制备 过 程 中 因没 有 铸 锭 、 热 轧 及 冷 轧 等 工 序 , 节省了加工程序与加工过程中的能源耗损 , 由此可 见纳米晶合金电力互感器铁芯无论是在经济效益还是 在性 能及环保 等方 面都是极具 应用价值 的 。 2 2 纳 米 晶合 金铁 芯在 电力 互感 器应 中存在 的 不足 非 晶体合金铁 芯的工作磁 密为 1 4 T, 低于硅钢 片的 1 7 6 T, 且 叠片填充 因素通 常在 0 7 5 0 8之 问 , 相 对较 小 , 大 约 为硅 钢 片 电力 互 感 器 铁 芯 的 8 5 左右 J 。且此种材料 的铁芯厚度较小 , 脆性高
7、, 不利于 加工 , 热稳 定性 也 相 对较 差 , 如 果局 部 过 热 , 且 超 出其 承受 范 围 , 则 可严 重影 响导 磁性 能 , 此 外纳 米晶合 金铁 芯必须 以惰性气 体保护并在 磁场条件 下进行退 火操作 。 3纳米 晶合 金铁 芯在 电力互 感器 中 的运用优 化 纳米 晶合金铁芯在电力互感器中的运用优势在于 其低 耗损 性 能与 相对 低 廉 的价 格 , 通 过 前 文 分 析不 难 看 出 , 纳 米 晶合金 铁 芯具有 良好 的应 用前 景 , 为进 一步 提升纳米 晶合金铁芯的应用效果 , 以下对其在电力互 感器 中运 用 的优 化技 术展 开分 析 ,
8、具 体 如下 。 3 1 分 布 式搭 头技 术 以往纳米晶合金铁芯采用的是每套带材组数固定 形 式 的搭头 结构 , 以铁芯 窗 口宽度 来 确定组 数 , 搭头 呈 几 条直 线 的形态 进行 排列 , 直 线条 数 即为组 数 , 这种 传 收稿 日期 :2 0 1 5 0 9 1 4 ;修 订 日期 :2 0 1 5 一 i 0 2 1 作者简介 :范浩( I 9 7 4 一 ) ,男 ,山西五寨人 ,工程师 ,本科 ,主要从事 自动化技术方面 的工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 2 机 械工 程 与自 动 化 2 0 1 5年 第 6期
9、 统搭头 模式 无法将 整 个 铁 芯磁 通 有 效 集 中 , 造 成空 载 耗损 , 加大 空载 电流 , 并 形 成较 大 的运 行 噪声 , 此外 铁 芯搭 头尺 寸也 相 对较 大 , 造 成 铁 芯 偏 高 。针 对这 一 情 况 , 笔者 建议采 用分 布式 搭头铁 芯结 构 , 这 种结 构是 将铁芯搭头以分布式形态进行排列, 如图 1所示 。 1 , 2, 4一 内外 纳 米 合 金 材 料 ; 3 一纳 米 合 金 铁 芯 叠 片 ; 5 , 6 , 7 一第一套叠片 ; 8 , 9 , 1 0 , 1 1 一第二套叠片 图 1 分布式搭头示意图 图 1中, 1 、 2 、
10、 4为内外纳米合金材料 , 对纳米合金 铁芯 叠片 3起 固定作 用 , 5 、 6 、 7 是 第 一套 叠 片 系统 , 8 、 9 、 1 0 、 l 1 是第二套叠片系统 , 并 以此类推。采用分布 式搭 头技术 , 每套 纳 米 晶合 金 的 组数 会 和 铁 芯 叠 片 的 厚度 一 同增加 , 搭 头 以分布 式 的方式排 列 , 提升 了磁通 分布 的均 匀性 , 防止磁 通波 形发 生改 变 , 也 大大 改善 了 纳米晶合金 电力互感器铁芯的励磁功率以及空载能耗 等性 能 , 此 外经此 种技 术改 良后 , 铁芯 搭头 的侧 尺寸可 有效减 小 , 同时也 就相 应地 缩
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