国内外30Q105取向硅钢多工况磁性能对比研究

程灵，赵永生，马光，杨富尧，韩钰，陈新

(1. 国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所，北京市 102211；2. 国家电网公司科技部，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)



国内外30Q105取向硅钢多工况磁性能对比研究

程灵1，赵永生2，马光1，杨富尧1，韩钰1，陈新1

(1. 国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所，北京市 102211；2. 国家电网公司科技部，北京市 100031)

检测了正弦波形磁场激励下国产和进口同等规格取向硅钢(30Q105)产品的磁性能，同时检测了其在谐波及直流偏磁电网复杂工况下的损耗。结果表明，正弦波形磁场激励下国产产品的铁损P1.7/50比进口产品的低0.03 W/kg；直流偏磁存在时，或三次、五次谐波与直流偏磁同时存在时，国产硅钢片的损耗不同程度高于进口材料。采用金相分析、电子背散射衍射及X射线衍射技术，对造成国内外同等规格取向硅钢材料，在标准正弦波形磁场激励与电网复杂工况下，损耗不一致的原因进行了分析，结果显示，取向硅钢材料内部组织不均匀性及{110}<112>黄铜取向晶粒的存在是造成上述差异的重要原因。

取向硅钢；直流偏磁；谐波；损耗

0 引 言

取向硅钢是电力变压器铁心的关键核心材料，其磁性能水平直接影响变压器的体积和空载损耗特性[1-4]。在国家大力倡导节能减排的新形势下，随着GB 20052—2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》的发布，取向硅钢的损耗指标受到极大关注[5]。然而，由于国标对电力变压器用取向硅钢的过励磁能力、直流偏磁条件下和谐波条件下的铁损均未作要求，对于来自国内外不同厂家的同等牌号取向硅钢片，按照GB/T 3655《用爱泼斯坦方圈测量电工钢片(带)磁性能的方法》和GB/T 13789《用单片测试仪测量电工钢片(带)磁性能的方法》测得的损耗大小[6-7]，与服役于电力电压器中产生的损耗大小是否一致，即对于同等规格(例如均为30Q105牌号)的国产和进口2种取向硅钢，按照国标测试方法得到的铁损低的硅钢片，其在电网实际运行工况下产生的铁损是否依然比另一种硅钢片的低，是一个有待研究的问题。

目前，随着我国宝钢、武钢等主要钢厂高牌号取向硅钢产品研发及生产力度的加强，其产品质量及产能显著提升，已能批量生产23QG080、27QG085等高端取向硅钢材料，但应用于高压、特高压工程的交直流变压器用高牌号高磁感取向硅钢仍依赖于进口。按照GB/T 2521产品技术标准[8]，国产材料的性能等级已与国外新日铁、浦项产品基本相当，然而，国产产品缺少在高压、特高压大型变压器中的应用业绩，且缺乏长期稳定运行数据，以致国家电网公司及变压器厂在应用国产高牌号高磁感取向硅钢时存在顾虑，同时，单纯依据国标相关标准进行测试是否真实全面反映了国产取向硅钢材料的性能，仍需系统深入研究。

本文模拟电力变压器服役过程中的工况环境，在正弦波形磁场激励基础上叠加直流偏磁和三次及五次谐波(非标测量)，测试国产及进口同等规格取向硅钢材料(30Q105)的损耗特性；同时与采用GB/T 3655方法测试得到的结果进行对比；最后采用金相分析、电子背散射衍射及X射线衍射技术对造成国内外同等规格取向硅钢材料在标准正弦波形磁场激励与电网复杂工况下损耗不一致的原因进行分析。

1 试验材料及方法

试验材料选取国内和国外取向硅钢生产厂家生产的同为105牌号的高磁感取向硅钢成品板。按照GB/T 2521标准取样，并按照GB/T 3655标准用爱泼斯坦方圈法检测2种试样的铁损和磁感值(频率为50 Hz)。采用Brockhaus MPG 200D软磁测量系统检测直流偏磁、高次谐波以及二者同时存在条件下取向硅钢的损耗特性。将40片试样重叠，采用Siemens D5000型X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)测定叠成试样(RD与ND所在平面)的{110}、{200}和{112}极图，并用级数展开法计算取向分布函数。采用Zeiss ULTRA55场发射扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)上配备的HKL-Channel 5电子背散射衍射(electron back-scatter(ed) diffraction, EBSD)系统确定样品的取向分布。

2 试验结果及分析

2.1 标准正弦波条件下国内外产品磁性能对比

影响取向硅钢铁损的因素众多而复杂，因为影响磁滞损耗、涡流损耗和反常损耗的因素不同，且有些因素对这些铁损组分有完全相反的影响，最终表现在总铁损值上的是其综合结果，同时由于硅含量基本不变(Si介于2.9% ～ 3.5%之间)，取向硅钢的磁感应强度只与{110}<001>高斯晶粒取向度有关[3]。表1为标准正弦波形磁场激励条件下采用GB/T 3655爱泼斯坦方圈法测得的取向硅钢磁性能数据。可见，国产和同等规格进口高磁感取向硅钢产品的磁性能参数均满足国标要求(铁损P1.7/50≤1.05 W/kg，磁感B8≥1.85 T)，且国内产品的磁性能更佳，铁损P1.7/50比国外产品低0.03 W/kg，磁感B8高出0.02 T。造成国产及进口30Q105牌号产品磁性能差异的原因将在讨论部分进行分析。

表1 采用标准爱泼斯坦方圈法测得的30Q105 同等牌号产品磁性能参数

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

2.2 直流偏磁条件下国内外产品损耗对比

直流输电采用单级大地回线方式或双级不平衡方式运行，电网中存在电压电流关系曲线不对称的负载，直流电流侵入交流系统，接地变压器产生直流偏磁；同时，太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁风暴会引起地磁感应电流，地磁感应电流会在接地变压器中产生直流偏磁[9-11]。直流偏磁会引起变压器励磁电流大幅增加及饱和程度加深，使其绕组、铁心、油箱和夹件的涡流损耗增加，进而引起变压器顶层油温和绕组温度升高，导致局部过热[12-13]。由于条件限制，针对电网在役变压器直流偏磁下的损耗定量研究难以进行，而在铁心结构及装配工艺确定的情况下，取向硅钢材料的铁损直接决定变压器铁心的空载损耗，因此本文以变压器铁心用取向硅钢材料为对象，间接定量研究直流偏磁对变压器损耗的影响。图1给出了直流偏磁条件下国产及进口30Q105同等牌号取向硅钢的损耗曲线。由图1可知，整体上取向硅钢的损耗P1.7/50随线圈中直流电流的增大而增加，偏置磁场为70 A/m时，国产和进口产品的损耗较无直流偏磁时分别增加了32.9%和25.0%；无直流偏磁时国内产品损耗低，具有一定的优势；当直流偏置磁场大于10 A/m后，进口取向硅钢材料表现出了更低的损耗特性，且增加的幅度更低，即进口取向硅钢片的抗直流偏磁能力比国产同等牌号硅钢产品的更强。

图1 直流偏磁对30Q105同规格国产和进口取向硅钢损耗的影响

2.3 谐波条件下国内外产品损耗对比

国外研究表明，变压器三相负载不均衡使得变压器谐波损耗加剧，变压器由于不均衡工作导致谐波损耗的上升比例最高达9成[14-15]。本研究中，对谐波的次数及含量进行区分，分析电网中含量较高的三次、五次谐波对变压器铁心用取向硅钢损耗的影响(不考虑谐波与基波之间的相位差)，并对比30Q105同等规格国产及进口产品的谐波损耗特性，结果见图2。由图2可知，在谐波含有率相同的情况下，随着谐波次数的增加，2种硅钢片的铁损增加明显；三次、五次谐波的含量超过30%后，损耗显著上升。需要指出的是，对于三次谐波，当其含量为10%时，2种材料的损耗与正常情况相比反而降低了0.03 W/kg。国内取向硅钢片的三次谐波损耗比国外产品略低，2种材料的五次谐波损耗相当。

2.4 直流偏磁与谐波同时存在时国内外产品损耗对比

电网实际运行过程中有时同时存在直流偏磁和谐波这种复杂工况，为此图3对比了直流偏磁与谐波同时存在时国内外30Q105同等牌号产品的损耗。由图3可知，谐波次数相同时，30 A/m直流偏置磁场与10 A/m直流偏置磁场相比损耗仅增加0.1 W/kg左右；而直流偏置磁场相同时，五次谐波损耗明显高于三次谐波。复杂工况下，国内30Q105牌号产品的损耗均不同程度高于国外同等规格产品，这与表1中磁通为标准正弦条件下，国内样品铁损低于进口样品的结论相反，也就是说按照国标方法检测，铁损低的取向硅钢材料服役于电力变压器的过程中，遇到复杂工况后损耗水平可能更高。针对这一现象，以下将从决定取向硅钢磁性能的显微组织、宏观织构、微观取向等方面进行讨论。

图2 三次与五次谐波对30Q105同等规格国产和进口取向硅钢损耗的影响

3 讨 论

按照GB/T 3655用爱泼斯坦方圈测量电工钢片(带)磁性能的方法发现国内产品铁损低于国外产品，然而，国标GB/T 2521只针对正弦波形磁场激励条件下产品磁性能水平及测试方法进行规范，对于直流偏磁或偏磁与谐波同时存在这种更接近电网实际运行的工况，尚无相关产品及测试标准。本研究表明，直流偏磁或偏磁与谐波同时存在时，国外产品的损耗比国内同等牌号产品的反而更低，这就说明单纯依据国标要求进行检测并不能全面反映取向硅钢材料的磁特性。以下从影响取向硅钢片磁性能的材料学因素方面进行讨论，分析导致上述差异的原因。

图4给出了国内外30Q105同等规格产品的金相组织(最小刻度为1 mm)。可见，二者显微组织差异明显，进口产品的组织均匀性更好，大量统计2种产品的平均晶粒尺寸表明，国产取向硅钢的平均晶粒尺寸为40.0 mm，进口片为12.5 mm，从2种材料的金相组织来看，组织均匀性可能是影响电网复杂工况下电力变压器用取向硅钢材料直流偏磁或谐波损耗差异的重要因素。

图3 国产和进口30Q105牌号取向硅钢直流偏磁与谐波损耗对比

图4 国产和进口30Q105牌号取向硅钢的金相组织

图5为国产30Q105取向硅钢和进口同等规格产品的{111}-{110}-{100}极图。对比两者的微观取向发现，2种样品中均以对磁性能极为有利的{110}<001> Goss取向晶粒为主，同时存在个别不易导磁的{110}<112>黄铜取向晶粒。整体上看，国产和进口同等规格产品在微观取向上的差异不是特别明显。

图5 国产和进口30Q105牌号取向硅钢的{111}-{110}-{100}极图

图6给出了国产和进口30Q105牌号取向硅钢产品φ2=45°截面上取向分布函数 (orientation distribution function, ODF)图。由图6可知，国产产品中Goss晶粒取向密度值高达157，相比之下进口产品仅为72，且存在较弱的{111}<110>织构，导致正常波形磁场激励条件下国产材料的磁感比进口片高0.02 T，铁损比后者低0.03 W/kg；通过X-射线衍射分析还发现，国产材料中存在相当强度的黄铜织构(见图6(a)三角形位置)，黄铜晶粒的<112>方向为难磁化方向，而这种对磁性能不利的黄铜取向晶粒在电网复杂工况下，对电力变压器用取向硅钢材料损耗的影响，比正弦波形磁场激励条件下的不利影响更加显著，这是造成上述差异的另一重要原因。

图6 国产和进口30Q105牌号取向硅钢的宏观织构(φ2=45°截面上ODF图)

4 结 论

(1)正常波形磁场激励条件下(频率为50 Hz)，国产取向硅钢产品铁损P1.7/50比进口同等规格30Q105产品低0.03 W/kg；直流偏磁或偏磁与三次、五次谐波同时存在复杂工况下，国产硅钢片的损耗却高于国外材料。说明单纯依据GB/T 3655、GB/T 252测试评级并不能全面反映电力变压器用取向硅钢材料的损耗特性，建议制定技术要求更高、更全面的相关标准。

(2)采用金相、电子背散射衍射及X射线衍射技术分析2种取向硅钢材料的内部组织、微观取向及宏观织构，结果表明电力变压器用取向硅钢材料组织不均匀性及{110}<112>黄铜取向晶粒的存在是造成同等规格取向硅钢片在正弦波形磁场激励和电网复杂工况下损耗差异的重要原因。

致 谢

本文中实验方案的制定和实验数据的测量记录工作是在保定天威集团有限公司程志光教授、北京科技大学李潇博士等工作人员的大力支持下完成的，在此向他们表示衷心的感谢。

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(编辑:张小飞)

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

国家电网公司重点科技项目(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

程灵(1988)，男，工学硕士，工程师，主要从事高磁感取向硅钢材料研究工作；

赵永生(1969)，男，工学博士，高级工程师，主要从事能源科学研究工作；

马光(1979)，男，工学博士，高级工程师，主要从事节能材料应用技术研究工作；

杨富尧(1986)，男，工学博士，工程师，主要从事高性能软磁材料研究工作；

韩钰(1977)，女，工学博士，高级工程师，主要从事电工新材料研究工作；

陈新(1973)，男，工学博士，教授级高工，主要从事电工新材料研究工作。