Аморфные сплавы и экономия

Энергоэффективность, экологичность, экономичность - тренды современной электроэнергетики. Аморфные сплавы в магнитопроводах силовых трансформаторов начали применять относительно недавно, попробуем выяснить что эти сплавы из себя представляют и насколько их использование может помочь в реализации современных тенденций.

Аморфный сплав - это определенный вид прецизионного сплава. Его отличительной характеристикой от сплавов кристаллической структуры, является целый комплекс физических и химических свойств. Одним из основных отличий аморфного сплава от электротехнической стали - отсутствие периодичности в расположении атомов. А так же эти сплавы отличаются от кристаллических сплавов большей устойчивостью к коррозии, они прочнее в несколько раз и лучшей электромагнитной характеристикой.

Путем химического подбора и метода охлаждения, которое проводится со скоростью, превышающую скорость кристаллизации (на диск, который вращается с большой скоростью, выливается готовый расплав), достигается аморфное состояние металла. Как только расплав попадает на вращающийся диск, он резко охлаждается (скорость охлаждения составляет приблизительно 106К/ с), он имеет схожесть с аморфной структурой стекла и принимает форму ленты толщиной 1560 мкм. Из получившейся ленты идет изготовление магнитопроводов, путем набора в стержни, навивания в кольцевые сердечники или производства U образных сердечников. Благодаря современной технологии стало возможно получение сердечников различных диаметров, начиная от нескольких миллиметров заканчивая полуметровым диаметром. Путем термомагнитной обработке происходит придание специальных свойств сплавам (можно получить петлю гистерезиса определенной формы): структура становится частично кристаллизованной, аморфной или получается нанокристаллической.

В 1988 году инженерами фирмы Hitachi Metals впервые был разработан так называемый, нанокристаллический сплав.

Наибольшую магнитную проницаемость и наименьшую коэрцитивную силу полоса с нанокристаллической структурой получает благодаря расположению кристаллитов диаметром от 10 до 20 нм по всей магнитопроводной ленте сердечника. Из за относительно высокого удельного сопротивления (от 110 мкОм/см. до 120 мкОм/см.) , и незначительной толщины ленты, появилась возможность добиться наименьшей коэрцитивной силы и наибольшей магнитной проницаемости.

В магнитопроводах из феррита, пермаллоя и электротехнической стали, значительно, большие удельные магнитные потери, что не скажешь про свойства магнитопроводов изготовленных из нанокристаллических и аморфных сплавов. У этих сердечников относительно высокая начальная и максимальная проницаемость и такая же высокая индукция насыщения при работе на высоких частотах. За счет своих физических свойств магнитопроводы, изготовленные из аморфных сплавов, широко применяются в метрологии, а именно при конструировании измерительных трансформаторов напряжения и тока, а так же при изготовлении силовых трансформаторов. В магнитопроводов которых, обычно, применяют сложенную впятеро ленту из аморфного сплава (железо - 78%, бор 13% и кремний 9%).

По данным Metglas потери за год в силовых трансформаторах распределительных сетей, в которых используется магнитопровод из электротехнической стали, составляют около 8% их закупочной стоимости. В таблице приведены усредненные потери ХХ для силовых трансформаторов на номинальное напряжение 10 кВ и мощностью от 25 до 2500 кВА.

Как видно из таблицы, использование в магнитопроводах аморфных материалов, вместо традиционной трансформаторной стали позволяет сократить потери холостого хода в 4-5 раз. И, хотя, такие трансформаторы имеют большую стоимость, за счет своей экономичности, в долгосрочной перспективе оказываются более выгодным вложением.