變壓器主體的主要材料包括磁路材料、電路材料、絕緣材料、結構材料等,其具體材料用途和類別有:
1. 硅鋼片
①鐵損低,這是硅鋼片質量的最重要指標。各國都根據鐵損值劃分牌號,鐵損愈低,牌號愈高。②較強磁場下磁感應強度(磁感)高,這使電機和變壓器的鐵心體積與重量減小,節約硅鋼片、銅線和絕緣材料等。③表面光滑、平整和厚度均勻,可以提高鐵心的填充系數。⑤表面絕緣膜的附著性和焊接性良好,能防蝕和改善沖片性。
變壓器通常采用冷軋取向硅鋼片,以確保其空載的能效水平。冷軋取向硅鋼片按照性能和加工方式,又可分為普通冷軋取向硅鋼片、高導磁硅鋼片(或高磁感硅鋼片)、激光刻痕硅鋼片。通常,將50Hz,800A交變磁場(峰值)下,鐵心所達到的最小磁極化強度B800A=1.78T~1.85T的硅鋼片稱為普通硅鋼片,記為“CGO",而B800A=1.85T以上的硅鋼片記為高導磁硅鋼片(高磁感硅鋼片),記為“Hi-B鋼",Hi-B鋼其與常規硅鋼片的主要區別在于:Hi-B鋼的高斯方位織構度非常高,即在易磁化方向上的硅鋼晶粒排列位向整齊度非常高,工業上采用二次再結晶過程制造含硅量為3%的硅鋼片,Hi-B鋼的晶粒位向與軋制方向的平均偏差為3°,而普通硅鋼片為7°,從而使得Hi-B鋼有更高的磁導率,通常其B800A可達到1.88T以上,提高了高斯方位織構度以及磁導率可降低鐵損。Hi-B鋼的另一個特點是鋼片表面附有的玻璃膜和絕緣涂層的彈性張力為3~5N/mm2,較普通取向硅鋼片的1~2 N/mm2更優,鋼帶表面的高張力層可減少磁疇寬度,減少異常渦流損耗。故Hi-B鋼比常規取向硅鋼片具有更低的鐵損值。激光刻痕硅鋼片則是在Hi-B鋼的基礎上,通過激光束照射技術,使其表面產生微小的應變,進一步磁軸細化,實現更低的鐵損。激光刻痕硅鋼片不能進行退火處理,因為提高溫度,則激光處理效果便會消失。
不同牌號的硅鋼片其物理特性基本相當,密度基本都是7.65g/cm3。對于同種類硅鋼片而言,其性能質量主要區別還是在硅的含量以及生產過程的工藝影響。
2. 非晶合金鐵心
非晶合金材料是20世紀70年代問世的一種新型合金材料,它采用先進的超急冷技術將液態金屬以106℃/S冷卻速度直接冷卻形成厚度0.02~0.03mm的固體薄帶,在它還沒來得及結晶時就已經固化。該合金材料與玻璃類似呈不規則原子排列,沒有金屬表征的晶體結構,它的基礎元素為鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、硅(Si)、硼(B)、碳(C)等。其材料具有以下優點:a) 非晶合金材料不存在晶體結構,是一種各向同性的軟磁材料;磁化功率小,具有良好的溫度穩定性。由于非晶合金為無取向材料,故可以采用直接縫,使制造鐵心的工藝比較簡單;b) 不存在阻礙磁疇移動的結構缺陷,磁滯損耗要比硅鋼片??;c) 帶材的厚度極薄,只有0.02~0.03㎜,是硅鋼片的1/10左右。d) 電阻率高,約為取向硅鋼片的3倍;非晶合金材料的渦流損耗大大降低,因此單位損耗約為取向硅鋼片的20%~30%;非晶合金鐵心空載性能*,采用非晶合金鐵心制造的變壓器其空載損耗較常規變壓器下降70~80%,空載電流下降50%以上,節能效果突出,目前電網公司在國家節能減排降低網絡線損的目的下,國家電網和南方電網從2012年開始均大力提高了非晶合金變壓器的采購比例,目前基本上非晶合金配變采購占比已達50%以上。非晶合金變壓器也存在以下幾個缺點:
通常在1.56T左右,較常規硅鋼片1.9T的飽和磁密相差20%左右,故其變壓器設計磁密也同樣需要下降20%,非晶合金油變的設計磁密通常在1.35T以下,非晶合金干變的設計磁密通常在1.2T以下。2)非晶合計鐵心帶材受應力影響敏感,其鐵心帶材受到應力后,空載性能容易劣化,故在結構上要特別注意,鐵心應采用懸掛方式落在支撐框架和線圈上,整體僅承受自身重力,同時,裝配過程中需特別注意,鐵心不能受力,要減少敲打等方式。3)磁致伸縮較常規硅鋼片大10%左右,故其噪聲較難控制,這也是限制非晶合金變壓器廣泛推廣的主要原因之一,目前,南網和國網招標中均對非晶合金變壓器的噪聲提出了較高要求,分為敏感區和非敏感區,并有針對性的提出了聲級要求,這就要求更進一步降低鐵心設計磁密。4)非晶合金帶材較薄,厚度只有0.03mm,故無法向常規硅鋼片那樣做成疊片形式,只能制作成卷鐵心形式,故其鐵心結構常規變壓器廠家無法自行加工,通常需整體外購,對應于卷鐵心帶材的矩形截面,非晶合金變壓器的線圈通常也做成矩形結構;5)國產化程度不夠,目前主要還是進口日立金屬的非晶合金帶材為主,正在逐步實現國產化,國內已有安泰科技和青島云路等具備非晶合金寬帶(213mm、170mm和142mm),且其性能較進口帶材在穩定性上還存在一定差距。6)最大帶長限制,前期非晶合金帶材最大外周帶長由于退火爐尺寸的限制,其長度也受到了較大限制,不過目前已基本解決,可制作最大外周帶長10m的非晶合金鐵心框,可用于制造3150kVA及以下非晶合金干變和10000kVA及以下非晶合金油變。基于非晶合金變壓器的優秀節能效果,再加上國家節能減排以及一系列政策的促進,非晶合金變壓器市場越來越大,并且,考慮到非晶合金帶材(目前為26.5元/kg)價格是常規硅鋼片(30Q120或30Q130)的兩倍左右,與銅差距相對較小,再考慮到電網產品的質量和招標要求,故,非晶合金變壓器通常采用銅導體。與常規硅鋼片相比,非晶合金變壓器成本主要差距如下:1)由于采用卷鐵心結構,故變壓器鐵心型式宜采用三相五柱結構,這樣可以減少單框鐵心重量,減低裝配難度,三相五柱結構和三相三柱結構從成本上各有優劣,目前大部分廠家采用三相五柱結構。采購回來的單框鐵心和組裝如圖2所示:
2)由于心柱截面為矩形,故為了保持絕緣距離上的一致,高低壓線圈也對應的制造成矩形結構。
3)由于鐵心設計磁密較常規硅鋼片變壓器低約25%,且其鐵心疊片系數大約在0.87左右,較常規硅鋼片的0.97要低許多,故其設計截面積需要較常規硅鋼片變壓器要大25%以上,對應的其高低壓線圈周長也要隨之增加,同時,還需要考慮高低壓線圈線匝長度的增加,若要保證線圈的負載損耗不發生變化,其導線截面積則需要對應的有所增加,故,非晶合金變壓器的銅用量較常規變壓器要多約20%。
3. 電路材料
變壓器內部電路主要由繞組(也稱為線圈)構成,它與外界的電網直接相連,是變壓器的核心組成部分,變壓器的內部電路通常是由導線繞組而成,導線(電磁線)按材質分為銅導線和鋁導線,按導線截面形狀又分為圓導線、扁導線(又可分為單根線、組合線和換位導線)、箔式導體等,導線與導線之間覆蓋不同類型的絕緣層,最終形成整體線圈。故,變壓器電路的主要導體材料為銅和鋁。銅和鋁均是導電性能較好的金屬材料,是制作變壓器線圈的常用導體,其在物理性能上的差異如下表所示:
銅鋁變壓器的差異也是由材料的差異決定的,具體表現在以下幾個方面:1)銅導體的電阻率僅僅是鋁導體的60%左右,為了達到相同的損耗和溫升要求,所需使用的鋁導體截面積要較銅導體大60%以上,所以相同容量和相同參數情況下,鋁導體變壓器體積通常要較銅導體變壓器大,不過此時變壓器的散熱面積也有所增加,所以其對油溫升較低;2)鋁的密度僅為銅的30%左右,所以鋁導體配電變壓器要較銅導體配電變壓器要輕;3)鋁導體的熔點較銅導體低許多,所以其在短路電流的溫升限值為250℃,較銅導體的350℃低,所以其設計電密要較銅導體低,變壓器導線截面積要大,故體積也較銅導體變壓器大;4)鋁導體硬度較低,故其表面毛刺較易消除,故制成變壓器后,其由于毛刺產生的匝間或層間短路的概率減少;5)由于鋁導體的抗拉、抗壓強度較低,機械強度差,故鋁導體變壓器承受短路能力不如銅導體變壓器,在進行動穩定計算時,鋁導體的應力應小于450kg/cm2,而銅導體的應力限值為1600kg/cm2,承受能力大幅提高;6)鋁導體與銅導體之間的焊接工藝較差,接頭焊接質量不易保證,一定程度上影響了鋁導體的可靠性。7)鋁導體的比熱為銅導體的239%,但是考慮到二者密度和設計電密的差異,實際二者的熱時間常數相差并不如比熱差值體現的那么大,故對其制成干式變壓器的短時過載能力影響并不大。
5.材料結構和附件
在變壓器中,還有結構材料和附件,結構材料主要起到變壓器支承、磁路、電路加固、變壓器絕緣液封裝等功能,包括夾件、油箱、散熱器、儲油柜等,其主要材料為Q235鋼材,對于油箱箱蓋的出線套管位置常采用無磁鋼以減少渦流,此外變壓器器身內部有時也會在采用無磁鋼或高牌號鋼材。
變壓器附件主要其性能監測和保護功能,干變中包括溫控器、風機、互感器等,油變中包括氣體繼電器、溫控器、壓力釋放閥、分接開關等,部分附件需求是由客戶提出。