摘要：本文中作者通过四台电力变压器的实际工作状态分析，对两个厂家牌号相同的高磁感低损耗硅钢片的电磁性能进行了对比。

1 引言

硅钢片是电力变压器的主要原材料， 其电磁性能的好坏与变压器的空载特性有着直接的因果关系， 因此在电力变压器设计以及生产制造过程中根据变压器的空载性能指标选择合适的硅钢片是非常重要的。电工材料供应商提供的电磁性能数据通常是在规定的标准条件下测量得出的。但这种标准条件下测量得到的数据并不能完全反应实际工况下变压器的电磁性能。牌号相同、不同厂家的高磁感硅钢片运用在产品上时电磁性能差别比较大， 在设计计算时应考虑这些因素。

2 高磁感硅钢片选取分析

当变压器容量不变时， 设计时将铁心中的磁感应强度Bm提高，铁心截面积可缩小，可使铁心体积减小和重量减轻，并节省电工硅钢板、导线、绝缘材料和结构材料，可降低变压器的总损耗和制造成本，并且有利于大型变压器的制造、安装和运输。

采用普通冷轧电工硅钢片设计油浸式变压器时，由于普通冷轧电工硅钢片饱和点较低，磁感应强度Bm不宜超过1.75T。磁通密度选的太高，会出现以下问题：

（1）空载电流与空载损耗增长过快，不能满足协议及国标要求。这是因为电工钢片有磁饱和现象，磁通与产生磁通发热电流之间不是按线性关系变化的。电压从零增大时，磁通密度也随之增大。当磁通密度增大到一定程度时，电压继续增加，磁通密度呈饱和状态而增加甚微，电流上升速度急剧增加。

（2）变压器运行时，有可能因不能承受过励磁而烧毁。变压器运行时不可避免地会存在过励磁的情况， 就最大可能在变压器上连续出现过励磁情况来说，多数国家规定电压可超过相应分接电压的5%，即过励磁5%时在额定容量下能连续运行， 也要考虑超过10%时空载下能连续运行。

对于一些特殊的变压器，例如接发电机的升压变压器或厂用变压器， 其励磁电压随着发电机运行特性而变化，如过励磁较严重（励磁电压为额定电压的130%～140%）并持续时间较长时，硅钢片单位损耗按指数上升，铁心温度会迅速升高，在高温下紧邻铁心周围的绝缘件会加速老化。因此，进行变压器设计时，磁密选择总低于硅钢片饱和点，不同类别的变压器磁密选取应该不同，以保证变压器的过励磁能力。

（3）空载噪声超标。空载噪声与磁通密度有关，降低磁通密度0.1T，通常空载噪声可降2dB(A)～3dB(A)。

高磁感取向钢具有如下特性：

（1）高磁感取向铁心钢片与普通取向电工钢片在金属学上最大的不同点是其高斯方位织构度非常高。换言之，工业上采用二次在结晶过程制造的含硅量为3%的电工钢片各晶粒的<001>位向并不是全部与轧制方向一致，而略有偏差。普通取向电工钢的这种偏差水平为7°， 而高磁感取向钢为3°，由此可见，高磁感取向钢的高斯方位织构度更高，其结果使高磁感取向钢有更高的磁导率，因此在800A/m的磁场下可获得B8=1.92T 及以上的磁感应强度。

（2）高磁感取向钢因钢片表面形成玻璃膜和绝缘涂层，因此，在钢片表面上附有比钢片本身更大的弹性张力，这可以改善钢板的磁性能。对普通取向电工钢片该张力为1N/mm2～2N/mm2, 而高磁感取向钢为3N/mm2～5N/mm2。

（3）根据磁感应强度与磁滞损耗之间的关系可知，提高了高斯方位织构度以及磁导率就可以降低铁损。另外，对钢带表面施以高张力涂层，可减少磁畴宽度，使磁畴移动变得容易，从而能够减少异常涡流损耗。由此可见，与普通电工钢相比，高磁感取向钢具有更低的铁损值。

由此可见，高磁感取向硅钢具有更好的导磁性能和更高的磁饱和点，同时具有低损耗和低磁致伸缩的特点，设计时感应强度Bm可取到1.8T 及以上。

采用高磁感取向钢设计变压器有以下优点：

（1）变压器大容量化和小型化。高磁感硅钢片是高磁感材料，由于其设计的磁感应强度高，导致同一容量的变压器效率得到提高。此外，由于低损耗高磁感取向钢可减少铁心发热，冷却效率也会得到提高，而由于铁心片、铜、绝缘材料、变压器油和低碳钢等材料的节约，变压器的小型化有了可能。一般情况，可减少变压器重量和体积的20%。

（2）降低变压器损耗。据对180MVA 的变压器统计， 采用普通硅钢片的产品空载损耗为110kW。如果采用高磁感钢，则空载损耗减小到90kW，损耗降低18%。

（3）声级水平。变压器铁心产生的噪声是磁力循环中由铁心片持续胀缩引起的，这就是交流磁致伸缩现象。这种持续的运动产生了变压器的噪声。高磁感取向钢是低铁损材料，同时也是低磁致伸缩材料。采用高磁感取向钢的变压器能有效降低噪声水平,产品噪声比常规低约4dB 以上。

3 产品对比试验验证

为了进一步掌握硅钢片在实际产品的电磁性能差异，为合理使用不同厂家不同规格的硅钢片提供依据， 2012 年初，选取同一套电磁计算单生产4 台变压器产品进行比较试验。试验产品选用国内目前常用的同等规格的高磁感取向硅钢片， 其中2台选用1 号厂家生产的硅钢片， 另2 台选用2 号厂家生产的硅钢片。试验产品型号为SZ11-31500/110，电磁计算单的额定磁通密度为1.77T。产品生产前对两种硅钢片分别进行了电磁性能检测，每卷料头、尾各取样一次分别检测，位置为卷料头尾各向里3m 处取样，样品大小为50cm×50cm。取检测结果的单位质量平均值。

从硅钢片检测结果看，1 号厂家的硅钢片铁损控制得更好，而磁感相对要弱一些。

以上4 台产品的硅钢片在整个使用过程中，如下料、预叠片及叠装等，严格执行厂内的工艺标准要求，且采用相同的设备剪切下料，采用相同的工艺措施及操作人员叠装， 毛刺控制在0.01 mm 以下，接缝控制在0.5 mm 以下，同一批次入罐干燥，确保整个过程不影响硅钢片的性能，尽量避免人为因素引起产品空载性能的改变。产品于2012 年4 月份全部生产试验完毕，其空载特性试验结果见表。

表1 高磁感取向钢检测数据

厂家： 1 号 2 号

厚度/mm：0.30 0.30

牌号：120 120

1.77T、50Hz 单位损耗/W•kg-1 ：1.086 1.168

1.7T 、50Hz 单位损耗/W•kg-1 ：0.9536 1.0230

在800A/m 磁感T：1.929 1.942

表2 变压器空载特性试验数据

厂家： 1 号 2 号

空载损耗/kW： 20.57 20.51 20.91 20.93

空载电流/% ：0.153 0.15 0.127 0.132

1.1 倍电压下空载损耗/kW ：30.29 30.37 32.02 32.12

1.1 倍电压下空载电流/% ：0.85 0.83 0.59 0.60

噪声水平/dB ：59.1 58.8 57.7 57.8

4 试验结果分析

从试验数据可知，采用1 号厂家硅钢片的变压器产品空载损耗较小，比采用2 号厂家硅钢片的变压器产品空载损耗小约1.8%。1 号厂家硅钢片的变压器产品空载电流大， 特别是在1.1 倍额定电压时空载电流增加明显，这也印证了前面硅钢片的检测数据，即1 号厂家的硅钢片铁损控制得更好，而磁感相对要弱一些。

采用1 号厂家硅钢片的变压器空载噪声要大于2 号厂家硅钢片的变压器。说明1 号厂家的硅钢片退火后的内应力要大于2 号厂家。变压器的空载噪声主要是由磁致伸缩引起的，磁致伸缩ε 对应力极为敏感。相同磁通密度下，内应力较大的硅钢片与内应力较小的硅钢片相比，ε 随着压力的增大而升高的速度更加急剧。1 号厂家与2 号厂家的硅钢片由于退火工艺的不同，由试验数据可得，2 号厂家的硅钢片内应力相对要小些。

采用1 号厂家硅钢片的产品工艺系数要大于2号厂家硅钢片的产品工艺系数。从硅钢片检测数据看，1 号厂家比2 号厂家硅钢片的铁损低约7%。而从变压器试验数据看，采用1 号厂家硅钢片的变压器空载损耗仅比采用2 号厂家硅钢片的产品小约1.8%。根据变压器试验数据反推空载损耗计算公式的工艺系数，采用1 号厂家硅钢片的产品工艺系数为1.23，而采用2 号厂家硅钢片的产品工艺系数为1.17。因为加工该批次产品的设备、人员及工艺均相同，这说明1 号厂家硅钢片的工艺性、电磁性能稳定性相对较差。

对于相同的产品采用同样的制造工艺，采用不同厂家的高磁感取向钢的工艺系数相差较大，认为主要原因有：

（1）材料的比铁损p 的测量是在爱泼斯坦方圈上进行的，其中存有一个人为约定的有效质量的问题，故p 未必与材料真实的p 值一致。

（2）设计时所取得铁心中的磁感应强度Bm为平均值，实际在变压器运行时，铁心中各部位实际的磁感应强度Bm是不一样的，对应的各部位的损耗值也是不一样的。故空载损耗的平均值未必与平均磁密所对应的p 值相同。

对多种型号的变压器铁心磁场和损耗分布的研究表明，由于铁心材料的各向异性以及铁心接缝区域的影响，各级铁心中最小损耗出现在边相角部区域，而最大损耗都出现在中间相的铁心柱与铁轭相交的部分，同时在边相铁心柱中靠近窗内的区域要比靠近窗外区域损耗值大。

（3）在变压器铁心制造整个过程中，硅钢片材料一般要经受吊运、纵剪、横剪、预叠、叠装、起立绑扎、整理及套装等加工过程中的外力影响。高磁感取向钢对外力的作用比较敏感，磁畴晶粒在外力的作用下将产生应变而导致磁性能恶化，励磁损耗和励磁电流增加。不同厂家的高磁感取向钢对于受变压器制造过程中的撞击、弯曲、抖动、跌落及踩踏等外力作用后，磁性能变化不同。

（4）不同厂家的高磁感取向钢，由于导磁性能的不同，在铁心接缝区表现的电磁性能差异较大。导磁性能差的硅钢片因相对磁导率较低，在三相变压器磁路不均匀时，其低场激励与高场激励部分的工作磁通密度下的单位损耗值差别更加悬殊，因而导致这部分铁心的损耗急剧增加，空载电流有所增加。

采用高磁感取向钢应注意的问题如下：

（1）高磁感取向钢磁性能受外力影响相对比较敏感，因此在加工制造过程中应尽量减少不必要的外力影响。

（2）由于高磁感取向钢的取向性，铁心最好采用全斜接缝方式。另外铁心磁路结构毕竟是一块块拼起来的，难免存有气隙产生退磁和磁通的泄露，会影响铁心的性能，因此要尽量控制接缝的大小。对于高磁感取向钢，由于磁感取的较高，因此接缝应至少采用4 级或4 级以上接缝。对于n 级搭接铁心接缝局部磁密：

铁心采用4 级接缝或4 级以上的接缝，在接缝区的磁密才不会因外接缝而发生饱和。

5 小结

综上所述可知， 相同牌号不同厂家的高磁感钢在实际产品中的电磁性能是不同的， 导磁性能好的硅钢工艺系数要相对小一些。采用高磁感取向设计制造变压器，应考虑高磁感取向钢的一些特性，合理设计铁心结构，接缝至少采用4 级或4 级以上，充分发挥高磁感取向钢的优势。尽量减少外力对高磁感取向钢磁性能影响。采用高磁感取向钢设计时，磁感应强度Bm完全可以取到1.8T，不同类别的变压器磁密选取应该不同，以保证变压器的过励磁能力。

在价格相同或差别不大的情况下， 如果变压器用在过电压较频繁或对噪声要求较高的地方， 宜选取2 号厂家的硅钢片， 如果变压器用在远离闹市区的较偏远的地方，并且用户对空载损耗要求较高，宜选取1 号厂家的硅钢片。