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 030009)

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 030009)

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。

纳米晶合金材料；电力互感器；硅钢片铁芯

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[1]。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30%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℃/s的冷却速度进行急速冷却，最终在不足1/1 000 s的时间内，将1 300 ℃高温金属水急速降至200 ℃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30%左右，而励磁功率仅仅是硅钢片材料电力互感器铁芯的50%，电阻率却高达硅钢片的3倍以上。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1.76 T，且叠片填充因素通常在0.75～0.8之间，相对较小，大约为硅钢片电力互感器铁芯的85%左右[3]。且此种材料的铁芯厚度较小，脆性高，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，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[4]。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-内外纳米合金材料；3-纳米合金铁芯叠片； 5，6，7-第一套叠片；8，9，10，11-第二套叠片

图1中，1、2、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、10、11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，同时也就相应地缩减了互感器的尺寸，减少了成本。分布式搭头应注意的是，两端搭头末段的连线和水平方向需保持约45°的夹角，如果夹角过小，则可使搭头部分形成弯角，从而影响纳米晶合金互感器铁芯的性能。

3.2 温度场磁场双重热处理技术

纳米晶合金电力互感器铁芯中的应力问题，是影

响其运行过程中磁性能的重要因素之一，因此为了提高铁芯的应用性能，需要采用热处理技术消除应力。纳米晶合金材料的电力互感器铁芯在急速冷却、卷取、带材切割以及运输等过程中容易因出现应力而影响其运行性能，因此必须采取相应处理措施[5]。首先将铁芯加热到不高于晶化温度的较高温度下，并保温一段时间，之后冷却出炉，根据纳米晶合金带材的区别，具体的加热工艺也不尽相同，通常在300 ℃～400 ℃，将铁芯温度升至预先设定温度之后，根据铁芯的尺寸差异，冷却速率也有所不同，通常为5 ℃/min～10 ℃/min。

此外为了能够有效强化应力消除效果并减少铁芯励磁功率，还可在热处理的过程中施加纵向磁场，具体操作为采用一根较长的铜质电缆线，将其穿过铁芯，在直流电的作用下即可有纵向磁场生成。

4 结束语

纳米晶合金材料的电力互感器铁芯因其空载能耗低，节能效果显著，并能满足现阶段较高的精度要求，随着我国纳米晶合金材料的量产，此种材料的电力互感器铁芯势必会不断普及。此外，在推广应用纳米晶合金材料的同时，还需要不断优化技术手段，改善现有性能上存在的不足，从而使此种材料在电力互感器中的运用价值最大化。

[1] 朱培刚,梁炳婷,王冶.导电、导磁与绝缘材质对变压器类产品运行可靠性的影响[J].变压器,2013(4):23-27.

[2] 于泳,汪良坤,连涛,等.测量用电流互感器铁芯材料对剩磁的影响[J].电工电气,2013(6):11-14，61.

[3] 刘凤芹,兰荣鑫,李晓雨.铁基非晶、纳米晶带材应用技术研究[J].材料导报,2013(增刊1):42-45.

[4] 王倩营,卢俊文,蒋书贤.非晶合金电机的研究综述[J].机车电传动,2014(3):10-13.

[5] 钱金川,于建兵,朱守敏.微晶合金磁芯材料在逆变电源中的应用[J].电工电气,2009(7):59-62.

[6] 杜宇,杨科,李艳敏,等.非晶C型铁芯切割面腐蚀与磁性能研究[J].金属功能材料,2014(5):20-23.

Application of Nanocrystalline Alloy Core in Electric Power Transformer

FAN Hao

(Shanxi Design and Research Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Taiyuan 030009, China)

This paper analyzes the performance of the nanocrystalline alloy materials, probes the value of the nanocrystalline alloy core used in the power transformer by comparing the nanocrystalline alloy core and traditional silicon steel core, and discusses the key technologies about the nanocrystalline alloy core used in the power transformer, in order to provide reference for relevant professionals.

nanocrystalline alloy material; electric power transformer; silicon steel core

1672- 6413(2015)06- 0201- 02

2015- 09- 14；

2015- 10- 21

范浩(1974-)，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。

TM45∶TG146

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