高錳無(wú)磁鋼在輸變電設(shè)備中的應(yīng)用

田 一，鞏學(xué)海，王廣克，孔曉峰，劉主光

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102211； 2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 金華供電公司，浙江 金華 321000；3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 溫州供電公司，浙江 溫州 325000)

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高錳無(wú)磁鋼在輸變電設(shè)備中的應(yīng)用

田 一1，鞏學(xué)海1，王廣克1，孔曉峰2，劉主光3

(1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102211； 2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 金華供電公司，浙江 金華 321000；3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 溫州供電公司，浙江 溫州 325000)

特高壓系統(tǒng)中，電流強(qiáng)度增加導(dǎo)致鋼制結(jié)構(gòu)件、緊固件、金具中渦流損耗增大，甚至出現(xiàn)局部過(guò)熱。與普通鋼相比，高錳無(wú)磁鋼的電阻率更大、磁導(dǎo)率更低，可顯著降低渦流損耗，避免溫升效應(yīng)。隨著冶煉工藝、熱處理技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)Fe-C組織相變機(jī)制的不斷深入研究，無(wú)磁鋼在輸變電領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。

高錳無(wú)磁鋼；特高壓；渦流損耗；磁導(dǎo)率；輸變電設(shè)備

我國(guó)電力資源分布不均衡，為滿足跨區(qū)域、長(zhǎng)距離輸電要求，特高壓電網(wǎng)獲得迅速發(fā)展，相應(yīng)的輸變電設(shè)備需求不斷提升。特高壓電網(wǎng)可輸配大規(guī)模電能，以榆橫—濰坊工程和錫盟—山東工程為例，二者建成投運(yùn)后每年共輸送440億kW·h電量。因此，相較于常規(guī)電壓等級(jí)，特高壓輸變電裝備具有更大的功率容量，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)線、引線中將通過(guò)更高的電流。在常規(guī)的鐵磁性結(jié)構(gòu)件、緊固件、金具中，高電流將產(chǎn)生嚴(yán)重的磁化效應(yīng)和渦流效應(yīng)，不僅造成鐵損，降低傳輸效率，而且導(dǎo)致構(gòu)件溫度上升，形成局部過(guò)熱，甚至影響設(shè)備安全運(yùn)行。電工裝備廠家開(kāi)始采用無(wú)磁鋼替代傳統(tǒng)的碳素鋼、鑄鐵等制造關(guān)鍵構(gòu)件[1]。其中，高錳無(wú)磁鋼力學(xué)性能優(yōu)良，磁導(dǎo)率低，冶煉和熱處理工藝已發(fā)展成熟，在輸變電設(shè)備中被大量應(yīng)用。

1 材料磁導(dǎo)率對(duì)損耗的影響

當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò)交變電流時(shí)，導(dǎo)線周邊將產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)中的磁性材料被磁化后，材料內(nèi)任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

B=μ0μrI/2πr

(1)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，I為導(dǎo)線電流，r為材料內(nèi)該點(diǎn)與導(dǎo)線的距離。假設(shè)該材料為薄板材料，且為磁各向同性的均勻磁化，B的變化都是正弦波形，按照馬克斯維爾方程推到出薄板材料的渦流經(jīng)典公式為[2]：

(2)

式中，t為板厚，f為頻率，Bm為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)導(dǎo)線電流為幅值電流時(shí)，利用公式(1)即可求出，ρ為材料電阻率，γ為材料密度，k為波形系數(shù)，對(duì)正弦波形來(lái)說(shuō)k=1.1。根據(jù)公式(1)、(2)可知，材料的渦流損耗與磁導(dǎo)率成正比，材料的磁導(dǎo)率越高，渦流損耗越大，產(chǎn)生的熱量越大。

除渦流損耗外，磁性材料在交變磁場(chǎng)中被反復(fù)磁化，由于磁滯原因而損耗(即磁滯損耗)為：

(3)

式中，k和a為常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。由公式(1)、(3)可知，磁滯損耗與磁導(dǎo)率成正比。故材料磁導(dǎo)率越大，電能傳輸過(guò)程中總體損耗越大，輸電效率越低，熱效應(yīng)越嚴(yán)重。

2 高錳無(wú)磁鋼材料體系

無(wú)磁鋼的室溫組織為具有面心立方結(jié)構(gòu)的順磁性?shī)W氏體，磁導(dǎo)率很低。在磁場(chǎng)作用下，無(wú)磁鋼因相對(duì)磁導(dǎo)率略大于1，磁化作用很弱，基本不產(chǎn)生磁感應(yīng)。冶煉過(guò)程中，添加適量Mn、Cr、V等合金元素，擴(kuò)大Fe-C相圖中的奧氏體區(qū)，配合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，即可獲得無(wú)磁鋼[3]。不同的合金成分、配比將賦予無(wú)磁鋼不同的性能特點(diǎn)，如Ni、Mn等元素可保證奧氏體組織穩(wěn)定，提升力學(xué)性能；Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至13%以上，可保證不銹性能；V元素可形成彌散強(qiáng)化作用，增加屈服強(qiáng)度。

對(duì)于一些只要求高強(qiáng)度、無(wú)磁性而對(duì)不銹性能要求不高的零部件，為控制成本，常采用較高的Mn和C(或N)含量來(lái)擴(kuò)大奧氏體相區(qū)。錳系無(wú)磁鋼具有良好的韌性和加工硬化性能，在強(qiáng)沖擊、高應(yīng)力工況下表現(xiàn)出良好的耐磨性，早期主要用于礦山、冶金等行業(yè)的耐磨材料。在Fe-Mn系高錳奧氏體無(wú)磁鋼基礎(chǔ)上，通過(guò)改性工藝優(yōu)化，逐漸發(fā)展出Fe-Mn-Cr系、Fe-Mn-Al系等多個(gè)系列。

2.1Fe-Mn系無(wú)磁鋼

Hadfield鋼為最早使用的Fe-Mn系奧氏體無(wú)磁鋼[4]，其成分為11%～14%Mn，0.9%～1.4%C，在早期，其強(qiáng)度、韌性、耐磨性和加工硬化能力均滿足使用要求。德國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)通過(guò)改進(jìn)熱處理工藝，推出牌號(hào)為X120Mn12和X35Mn18的Fe-Mn系無(wú)磁鋼，屈服強(qiáng)度提升至250～600MPa，抗拉強(qiáng)度提升至700～900MPa。阿塞洛米塔爾鋼鐵公司與蒂森—克虜伯公司通過(guò)技術(shù)革新，將Fe-Mn-0.6C無(wú)磁鋼的屈服強(qiáng)度增至599MPa，抗拉強(qiáng)度增至1 162MPa，均勻延伸率高達(dá)52.8%。隨著層錯(cuò)能分析模型、形變孿晶等機(jī)制的深入研究，F(xiàn)e-Mn系無(wú)磁鋼通過(guò)合金化工藝，機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)一步提升。

2.2Fe-Mn-Cr系無(wú)磁鋼

Fe-Mn-Cr系無(wú)磁鋼的典型合金成分為18Mn-4Cr，曾一度作為大型發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)用無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼[5]，但腐蝕性介質(zhì)容易引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，近年來(lái)逐漸被18Cr-18Mn-N無(wú)磁鋼替代。隨著冶煉工藝的發(fā)展，現(xiàn)已形成多種牌號(hào)的Fe-Mn-Cr系無(wú)磁鋼。由于Cr元素的存在，部分牌號(hào)的耐腐蝕性良好。

2.3Fe-Mn-Al系無(wú)磁鋼

與高Cr-Ni無(wú)磁鋼相比，F(xiàn)e-Mn-Al系無(wú)磁鋼采用Mn代替Ni穩(wěn)定奧氏體，采用Al代替Cr增加奧氏體層錯(cuò)能，既降低了成本，又使得鋼具備高強(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕、低密度等性能特點(diǎn)。Al的添加可抑制γ→ε的轉(zhuǎn)變，保證無(wú)磁鋼在低溫下的性能穩(wěn)定性。通過(guò)成分配比優(yōu)化，現(xiàn)已形成15Mn26Al4、30Mn20A13、30Mn26A14V等多個(gè)系列的Fe-Mn-Al系無(wú)磁鋼，室溫屈服強(qiáng)度已達(dá)到556MPa的水平[6]。

3 輸變電設(shè)備中的應(yīng)用

特高壓系統(tǒng)中，變電器、電抗器設(shè)備的漏磁場(chǎng)，以及輸電線路中的大電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)，將導(dǎo)致鋼制結(jié)構(gòu)件、緊固件、金具等設(shè)備中產(chǎn)生發(fā)熱效應(yīng)。采用無(wú)磁鋼作為關(guān)鍵構(gòu)件的原材料，可有效抑制溫升效應(yīng)。

3.1 變壓器

變壓器鐵心拉板、夾件、油箱、升高座、法蘭以及箱沿等均為金屬結(jié)構(gòu)件，磁導(dǎo)率較高，容易受漏磁場(chǎng)影響。尤其對(duì)于大型變壓器，中、低壓線圈電流可達(dá)10～20 kA，漏磁場(chǎng)非常強(qiáng)[1]。工程上一般通過(guò)在元件上設(shè)置磁屏蔽，降低進(jìn)入金屬結(jié)構(gòu)件的漏磁通。但變壓器中漏磁場(chǎng)分布較為復(fù)雜，磁屏蔽一旦設(shè)置不當(dāng)，容易形成新的過(guò)熱點(diǎn)。近年來(lái)，變壓器廠家開(kāi)始采用磁屏蔽+無(wú)磁鋼結(jié)構(gòu)件的方式降低漏磁影響，油箱壁等部位的發(fā)熱量明顯下降。表1為采用模擬軟件，計(jì)算油箱、升高座采用普通鋼與無(wú)磁鋼制作時(shí)，引起的損耗結(jié)果對(duì)比[7]。

表1 不同材料油箱壁的熱量損耗計(jì)算結(jié)果對(duì)比 W

由表1可知，采用無(wú)磁鋼代替普通鋼，渦流損耗大約下降了50%左右。在變壓器中，常用的無(wú)磁鋼牌號(hào)包括20Mn23Al、30Mn20Al3、45Mn17Al3、40Mn18Cr3等，其主要化學(xué)成分、力學(xué)性能如表2～3所示。

表2 變壓器常用無(wú)磁鋼化學(xué)成分 %

表3 變壓器常用無(wú)磁鋼力學(xué)性能

3.2 電抗器

從結(jié)構(gòu)上，電抗器可分為鐵心電抗器與空心電抗器。鐵心電抗器結(jié)構(gòu)如圖1所示，鐵心餅在交變磁場(chǎng)作用下相互排斥，產(chǎn)生振動(dòng)，主要依靠鐵心壓緊裝置進(jìn)行減振。該裝置的主要受力部件為高強(qiáng)拉桿，位于鐵心餅中間通孔處。此處磁場(chǎng)強(qiáng)度高，溫升效應(yīng)嚴(yán)重，對(duì)拉桿的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫性、抗疲勞強(qiáng)度要求較高。保變、山東電工等廠家均選用高強(qiáng)度無(wú)磁鋼作為拉桿材料，主要牌號(hào)包括10Mn20Al、50Mn18Cr4和TSMF166。其中，TSMF166為高氮鋼，由于氮元素對(duì)奧氏體的穩(wěn)定和強(qiáng)化效果顯著，該

圖1 電抗器基本結(jié)構(gòu)

類(lèi)無(wú)磁鋼的機(jī)械強(qiáng)度高，耐晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕，是理想的結(jié)構(gòu)受力材料。山西太鋼通過(guò)無(wú)磁鉆鋌用高氮不銹鋼TSMF166冶煉實(shí)踐，開(kāi)發(fā)出VOD+LF組合增氮技術(shù)，解決了冶煉中碳、錳、氮含量控制的問(wèn)題，確保該類(lèi)結(jié)構(gòu)件在復(fù)雜強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下可穩(wěn)定服役。TSMF166鋼的主要成分見(jiàn)表4，力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表4 TSMF166鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

表5 TSMF166鋼力學(xué)性能

對(duì)于空心電抗器，由于缺少鐵心對(duì)磁力線的束縛作用，其漏磁場(chǎng)強(qiáng)度高于鐵心電抗器。主要受到漏磁場(chǎng)影響的部件為電抗器底部的星型支架，以及罩在線圈外部的隔聲罩鋼板。其中，星型支架是電抗器的主要承重部件，位于電抗器底部。該部件處在電抗器的散熱路徑上，與發(fā)熱線圈直接接觸，加上漏磁場(chǎng)引起的熱效應(yīng)，導(dǎo)致溫度處于較高水平。隔聲罩外壁一般為鋼制結(jié)構(gòu)件，與線圈距離較近，容易被磁化。選用無(wú)磁鋼制備星型支架、隔聲罩外壁，可顯著降低損耗，避免溫升效應(yīng)。

3.3 金具

金具多數(shù)采用可鍛鑄鐵或鑄鋼制造，磁導(dǎo)率較高，容易圍繞導(dǎo)線構(gòu)成一個(gè)閉合磁回路。當(dāng)導(dǎo)線中傳輸電流時(shí)，金具內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在配電網(wǎng)中，金具產(chǎn)生的能耗約占輸電容量的0.01%～0.03%；線路上一個(gè)鐵磁材料制造的懸垂線夾，相當(dāng)于一個(gè)30 W的燈泡，每年損耗量在億千瓦以上。而且，各類(lèi)損耗導(dǎo)致金具內(nèi)導(dǎo)線溫度上升，機(jī)械強(qiáng)度下降，如線路來(lái)回振蕩，該處導(dǎo)線容易斷股[8]。為降低損耗，增加輸電可靠性，國(guó)網(wǎng)正大力推廣節(jié)能金具的應(yīng)用。常規(guī)節(jié)能金具采用聚碳酸酯、無(wú)磁性球鐵和鋁合金制備，但因性能、工藝、成本等因素未能普及。無(wú)磁鋼的電磁、機(jī)械性能均可滿足金具的使用要求，在節(jié)能金具制造中具有很好的實(shí)用價(jià)值。

為確定無(wú)磁鋼金具的節(jié)能效果，使用無(wú)磁鋼制備XGU-3W懸垂線夾的壓條、掛板、U型螺絲，夾持LGJ-240/30鋼芯鋁絞線，接通450 A，50 Hz的交流電，測(cè)量其能耗，并與普通的Q235鋼制備的金具進(jìn)行對(duì)比。該試驗(yàn)共分3組進(jìn)行，結(jié)果如表6所示。

由表6可知：采用無(wú)磁鋼制作金具的某些零部件，可隔斷金具中的磁回路，降低金具能耗。與普通金具相比，無(wú)磁鋼金具的節(jié)能率高達(dá)92.4%。

表6 節(jié)能金具對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù) W

3.4 緊固件

輸變電設(shè)備，大多采用鋼制緊固件進(jìn)行連接組裝。由于體積較小，鋼制緊固件中更容易產(chǎn)生局部過(guò)熱，影響緊固效果。目前，市面上常用的無(wú)磁緊固件主要為不銹鋼緊固件和鋁合金緊固件。其中，無(wú)磁不銹鋼為奧氏體鋼，Mn含量在1%～6.5%，Cr含量在8%～19%左右(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，最大抗拉強(qiáng)度可達(dá)800 MPa以上，相對(duì)磁導(dǎo)率在1.005左右。由于緊固件多數(shù)暴露于戶外，良好的防銹能力可保證長(zhǎng)期服役效果。盛澤新材料有限公司、北京電力設(shè)備廠均大量采用不銹鋼緊固件組配變壓器、電抗器及隔聲罩等配套設(shè)施，發(fā)揮出良好的緊固連接功能。

4 結(jié) 論

與普通鋼相比，無(wú)磁鋼的電阻率更大、磁導(dǎo)率更低，用于制備變壓器、電抗器的結(jié)構(gòu)件、節(jié)能金具、緊固件等裝置，可顯著降低渦流損耗，避免溫升效應(yīng)。隨著冶煉工藝、熱處理技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)Fe-C組織相變機(jī)制的不斷深入研究，無(wú)磁鋼已具備高強(qiáng)度、抗疲勞、防銹、抗磨損、耐高溫等多元功能特性，在輸變電領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。

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Application of High Manganese Non-magnetic Steel in Transformation Equipment

TIAN Yi1, GONG Xuehai2, WANG Guangke1, KONG Xiaofeng2, LIU Zhuguang3

(1.GlobalEnergyInterconnectionResearchInstitute,Beijing102211,China; 2.StateGridJinhuaPowerSupplyCorporation,Jinhua,Zhejiang321000,China; 3.StateGridWenzhouPowerSupplyCorporation,Wenzhou,Zhejiang325000,China)

In UHV transmission and transformation system, the increasing current will lead to the eddy current loss and local overheating of structural parts in fastener and electrical fittings. Compared with common steel, high manganese non-magnetic steel has similar mechanical properties, higher resistance and lower magnetic permeability. Thus, it can suppress the eddy current loss and overheating effect. Now, the transmission and transformation equipment have applied much non-magnetic steel as its components.

High manganese non-magnetic steel; UHV; Eddy current loss; Magnetic permeability; Transmission and transformation equipment

2016-10-12

田一(1989-)，男，湖北大悟人，工程師，研究方向：噪聲與振動(dòng)控制、電網(wǎng)防護(hù)新材料開(kāi)發(fā)，手機(jī)：18501949381，E-mail：570701593@qq.com.

TG142.7;TM73

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.032