ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 607 · 2015. 12. 10. · МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЖУРНАЛ...

МЕЖДУНАРОДНЫЙЖУРНАЛПРИКЛАДНЫХ ИФУНДАМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ №12,2015

607 ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ УДК620.424.1СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ 

В МАГНИТОПРОВОДАХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВХавроничев С.В., Сошинов А.Г., Галущак В.С., Копейкина Т.В. 

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» Камышинский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический

университет», Камышин, e-mail: kopeikina.tania@yandex.ru

В статье представлена целесообразность применения трансформаторов с магнитопроводами изаморфных сплавов, по сравнению с трансформаторами с традиционнымимагнитопроводамииз электро-техническихсталей.Рассмотренысхемыустройствдляполученияаморфныхсплавовзакалкойизжидкогосостояния.Приведенысведенияосравненииусредненныхпотерьхолостогоходадлясиловыхтрансфор-маторовсмагнитопроводомизтрансформаторнойсталиисмагнитопроводомизаморфногосплава.Рас-пределительныетрансформаторымощностью25–630кВАнапряжением6–10кВ–наиболеемассоваясерияпроизводимыхиэксплуатируемыхтрансформатороввнашейстранеизарубежом.ОбщееколичествораспределительныхтрансформатороввРоссиисоставляетболее4млн.шт.Ежегодноепотреблениеэлек-троэнергиивРоссиинаходитсянауровне900миллиардовкВт×ч,приэтомобщиепотериэлектроэнергиивраспределительныхтрансформаторахоцениваютсяв7,5миллиардовкВт×чипримерно50%–этопотеривмагнитопроводах.Наиболееперспективныйпутьснижениязатратнапроизводствоиэксплуатациюрас-пределительныхтрансформаторов–этоприменениемагнитопроводовизаморфных(нанокристаллических)сплавов,приэтомобеспечиваетсяболеечемпятикратноеснижениепотерьхолостогоходатрансформаторовпосравнениюстрадиционнымимагнитопроводамиизэлектротехническойстали.

Ключевые слова: аморфный сплав, магнитопровод, трансформатор, электротехническая сталь, энергоэффективность

mOderN treNdS IN the aPPLICatION Of amOrPhOuS aLLOyS  IN the magNetIC COreS Of POWer traNSfOrmerSKhavronichev S.v., Sozinov a.g., galushchak v.S., Kopeikina t.v.

FGBOU VPO «Volgograd State Technical University» Kamyshin institute of technology (branch) of FGBOU VPO «Volgograd State Technical University», Kamyshin, e-mail: kopeikina.tania@yandex.ru

inthearticletheexpediencyofapplicationoftransformerswithmagneticcoresmadeofamorphousalloysincomparisonwithtransformerswithconventionalmagneticcoresofelectricalsteel.Theschemesofdevicesforproducingamorphousalloysbyquenchingfromtheliquidstate.Providesinformationaboutthecomparisonoftheaverageno-loadlossesforpowertransformerswithmagneticcoreoftransformersteelandamagneticcoremadeofamorphousalloy. distributiontransformerswithpower25–630kVa,voltage6–10kV–themostmassproducedseriesof transformersandexploited inourcountryandabroad.Thetotalnumberofdistributiontransformers inRussiaisover4millionPCs.TheannualconsumptionofelectricityinRussiaisatthelevelof900billionkW×h,thetotalenergylossesindistributiontransformersareestimatedat7.5billionkW×handabout50%arelossesinmagneticcores.Themostpromisingwayofreducingthecostproductionandoperationofdistributiontransformersistheuseofmagneticcoresmadeofamorphous(nanocrystalline)alloys,thisprovidesamorethanfivefoldreductionoflossesofidlingoftransformerscomparedwithtraditionalmagneticcircuitsofelectricalsteel.

Keywords: amorphous alloy, magnetic core, transformer, electrical steel, energy efficiency

В последнее время приняты важныегосударственные документы, касающиесяэнергосбережения. Это, во-первых, Феде-ральный закон №261-ФЗ «Об энергосбе-режении и о повышении энергетическойэффективности и о внесении измененийв отдельные законодательные акты Рос-сийскойФедерации», предусматривающийвведениенормативовэнергоэффективностиоборудованиямощностьюсвыше3кВтдляустановления стимулированияпримененияэнергоэффективного электрооборудования.И,во-вторых,РаспоряжениеПравительстваРФ от 1декабря 2009г. №1830-р «Планмероприятий по энергосбережению и по-вышению энергетической эффективностив Российской Федерации». Вуказанномплане правительству РФ дано указание на

формирование предложений по ограни-чению (запрету) оборота энергетическихустройств, характеризующегося неэффек-тивным использованием энергоресурсов.Одноиз такихпредложений– замена рас-пределительныхтрансформаторовсмагни-топроводами из электротехнической сталинаэнергоэффективныетрансформаторы.Аморфные сплавы в магнитопроводах 

силовых трансформаторовАморфный сплав – это определенный

видпрецизионногосплава.Егоотличитель-нойхарактеристикойотсплавовкристалли-ческойструктуры,являетсяцелыйкомплексфизическихихимическихсвойств.Однимизосновныхотличийаморфногосплаваотэлектротехническойстали–отсутствиепе-

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH №12,2015

608 TECHNICAL SCIENCES риодичностиврасположенииатомов.Атакже эти сплавы отличаются от кристалли-ческих сплавов большей устойчивостьюк коррозии, они прочнее в несколько рази обладают лучшей электромагнитной ха-рактеристикой[1].

Внастоящее время, дляиспользованияв электротехнических устройствах наи-большеераспространениеполучилиаморф-ныесплавынаосновеметалловпереходнойгруппыжелезо–никель–кобальт (fe;ni;Co), взаимодействующие с металлоидамибор–кремний–углерод(B;si;С),которыепонижают температуру плавления и обе-спечивают более легкое достижение тем-пературы стеклования аморфного сплаваприегоохлаждении.Врезультатеисчезаютмеждоменныеграницы,чтоприводитквы-сокой твердости, прочности и коррозион-нойстойкоститакихматериалов.

Аморфное состояние достигается под-бором химического состава сплава и ис-пользованием специальной технологиисверхбыстрого охлаждения со скоростьювышекритической,длячегоисходныйрас-плав выливается на быстро вращающийсядиск (рис.1). При попадании на поверх-ностьдискарасплавохлаждаетсясоскоро-стью около 106К/с и превращается в лен-ту толщиной от 15 до 60мкм, имеющейаморфную структуру, аналогичную струк-турестекла.Лентанавиваетсявкольцевые,U-образные сердечники или формируетсяв виде стержней. Технология навивки по-зволяет получать сердечники с диаметромотнесколькихмиллиметровдо500мм.

Рис. 1. Схемы устройств для получения аморфных сплавов закалкой из жидкого состояния: а – нанесение расплава на

вращающийся металлический диск или цилиндр; б – извлечение расплава вращающимся диском;

1 – расплав; 2 – нагревательное устройство (индукционная печь); 3 – лента аморфного

сплава; кварцевая трубка

Придание материалам специфическихсвойств(например,петлягистерезисаопре-деленной формы) достигается термо- или

термомагнитной обработкой (ТМО), в ре-зультате которой структура ленты можетостаться аморфной, статьчастично кри-сталлизованнойилинанокристаллической.

Нарис.2вкачествепримерапредстав-лены петли гистерезиса аморфного сплаваАМЕТ-2НСРтипаТ(слинейнойпетлейги-стерезиса)[2].

Особенностью нанокристаллическихсплавов является их сверхмелкокристалли-ческаяструктура.Размеркристаллов(нано-частицы)вэтихсплавахсоставляетот1до10нм. Нанокристаллические и аморфныесплавы по своим свойствам во многом по-хожи.Во–первых,ониимеютструктурноесходство.Какизвестно,структурааморфныхсплавовимеетближнийпорядок,т.е.состо-ит из упорядоченных микрогруппировокатомов,размерыкоторыхблизкикразмерамнанозёрен нанокристаллических сплавов.Во–вторых,этотехнологияполучения.Вна-стоящеевремянаиболеераспространённымметодомполучениянаноструктурыявляетсярегулируемая кристаллизация из исходногоаморфного состояния.Такимобразом, «ма-теринской» основой нанокристаллическогосплаваявляетсясплаваморфный.Структурананокристаллического сплава представляетсобойдвухфазнуюсистему,однойизфазко-торой являются нанокристаллы, а другой –остаточнаяаморфнаяматрица.

Нагрузочныепотеривтрансформаторахв зависимости от увеличения нагрузок ва-риативны,втовремякакпотерихолостогохода имеют постоянную величину. Ключкрешениюпроблемыпотериэнергии–сни-жениепотерьхолостогохода[3].

Для снижения потерь холостого ходавмагнитопроводахсиловыхтрансформато-ров применяют сложенную впятеро лентуизаморфногосплаватипаfe78B13si9

По данным американской компанииmetglasпотеризагодвсиловыхтрансфор-маторах распределительных сетей, в кото-рых используется магнитопровод из элек-тротехнической стали, составляют около8% их закупочной стоимости. Втаблицеприведены усредненные потери холостогоходадля силовых трансформаторовнано-минальноенапряжение10кВимощностьюот25до2500кВА[4].

Как видно из таблицы, использованиев магнитопроводах аморфных материалов,вместо традиционной трансформаторнойстали позволяет сократить потери холо-стого хода в 4-5раз. Энергоэффективныераспределительныетрансформаторысмаг-нитопроводами из нанокристаллическихматериалов, по данным энергетическихкомпанийСШАиЯпонии,окупаютсяупо-купателяпримернозатригода[5].

МЕЖДУНАРОДНЫЙЖУРНАЛПРИКЛАДНЫХ ИФУНДАМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ №12,2015

609 ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ

Кроме снижения потерь вмагнитопро-водеизнанокристаллическихсплавовтак-жеуменьшается значениетоканамагничи-вания. Врезультате при снижении потерьхолостого хода и снижении тока намагни-чиваниявтрансформаторах:

1)снижается температура трансформа-тораиувеличиваетсяегосрокслужбы;

2)в несколько раз снижаются затратыприпередачеэлектроэнергиипотребителю;

3)имеетместообщеесокращениеэнер-гопотребления в энергетике страны; и какрезультат общее существенное снижениеобъема сжигания органического топливадля выработки электроэнергии и вредныхвыбросовватмосферу.

За рубежом первые распределитель-ные трансформаторы мощностью 630 –1000кВА с аморфным сердечником былиизготовлены более 10лет назад. Вданномнаправлении более всех продвинулись

США,КитайиИндия.Начинаяс2009года,рядевропейскихраспределительныхкомпа-нийтакжеустановиливопытнуюэксплуа-тациюнесколькотрансформаторовмощно-стью400кВА с сердечникомиз аморфнойленты.В2012годупервойвРоссииквыпу-скусиловыхтрансформаторовс аморфны-мисердечникамиАТМГприступилагруппа«Трансформер»(рис.3)[6].

ОрганизациявыпускатрансформаторовАТМГ на российском предприятии полно-стью соответствуетпланумероприятийпоимпортозамещению в отрасли энергетиче-ского машиностроения, кабельной и элек-тротехнической промышленности Россий-скойФедерации, утвержденномуприказомМинпромторга России от 31 марта 2015г.№653.Согласноэтомупланумаксимальнаяплановаядоляимпортатрансформаторовнанапряжение6–35кВк2020г.должнасоста-вить0%(в2014г.–15%).

а) б)

Рис. 2. Петли гистерезиса сплава 2НСР (тип Т). а – предельная петля; б – частная петля при индукции 0,2 Тл

Усредненныепотерихолостогоходадлясиловыхтрансформаторов

Мощностьтрех-фазноготрансфор-

матора10кВ

УсредненныепотериХХ,магнитопровод–трансфор-

маторнаястальsife

УсредненныепотериХХ,магнитопровод–аморф-

ныйсплав

Сравнительноесниже-ниепотерь,%

25кВА 100 28 72%40кВА 140 39 72%63кВА 180 50 72%100кВА 260 66 75%250кВА 520 150 71%630кВА 1000 280 77%1000кВА 1700 350 80%1600кВА 2100 490 77%2500кВА 2700 550 80%

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH №12,2015

610 TECHNICAL SCIENCES

Выводы1.Произведенный анализ показал, что

трансформаторы с магнитопроводами изаморфныхсплавов,болееэнергоэффективны,чемтрансформаторыстрадиционнымимагни-топроводамиизэлектротехническихсталей.

2.Необходимо наращивать производ-ство аморфных сплавов и осуществлятьпостепенный переход на применение ихвмагнитопроводахсовременныхтрансфор-маторовразличногоназначения.

3.Дальнейшееизучениесвойстваморф-ныхсплавовпозволитопределитьцелесоо-бразность их применения не только в ста-тических электромагнитных аппаратах, ноивэлектромагнитныхсистемахэлектриче-скихмашин.

Список литературы1.Аморфныесплавыиэкономия//Энергетика,обору-

дование,документация//URL:http://forca.ru/stati/podstancii/amorfnye-splavy-i-ekonomiya.html.

2.В.И.Печенкин,к.т.н.,руководительНИОКРгруппы«Трансформер»// «Силовые «аморфные» трансформаторы.Будущее в настоящем»// Рекламно-информационныйжур-нал«Электротехническийрынок»№5–6(47–48)Сентябрь–Декабрь 2012; URL: http://market.elec.ru/nomer/44/silovye-amorfnye-transformatory-budushee-v-nastoya/

3.КаталогпродукцииОткрытого акционерногообще-ства«Ашинскийметаллургическийзавод»//Магнитопрово-дыизаморфныхсплавов//URL:http://www.amet.ru/buyers/product/amorf.

4.Компании metglas inc.(США), hEinRiCh gEORggmbhmasChinEnfaBRiK(Германия),ФГУПцНИИчер-метим.И.П.Бардина«Энергосберегающиетрансформато-ры смагнитопроводамииз аморфных сплавов»// материалVi Международной конференции ТРАВЭК «Энергосбере-жение в электроэнергетике и промышленности», Москва,17–18марта2010года.URL:http://ukrm.ru/content/view.

5.Трансформаторы с аморфным магнитопрово-дом// Энергетика, оборудование, документация// URL:http://forca.ru/stati/podstancii/transformatory-s-amorfnym-magnitoprovodom.html.

6.ЭнергосбережениевЕвропе:применениеэнергоэф-фективныхраспределительныхтрансформаторов.Публика-цияЕвропейскогоинститутамеди.Проект№sTR-1678-98-ВЕ.Энергосбережение№6/2003.URL:http://tgv.khstu.ru/lib/artic/energy/2003/6/5/6_5.html.

а) б)

Рис. 3. Трансформатор АТМГ ПГ «Трансформер». а – внешний вид; б – магнитопровод с катушками