配電變壓器用二次硅鋼片性能評估及鑒定
程靈，魏劍嘯，馬光，楊富堯，陳新，朱承治
（1，國網智能電網研究院電工新材料及微電子研究所，北京 102209;
2，許繼集團，河南許昌 461000；3，國網浙江省電力公司，浙江杭州 310007）
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摘要：取向硅鋼制成變壓器鐵芯后直接關系電網的安全性和節(jié)能性。對配電變壓器鐵芯用二次硅鋼片的性能進行了全面評估，結果表明，抽取自A地區(qū)、B地區(qū)及C地區(qū)的二次硅鋼片的鐵損最高可達1.91 W/kg（變壓器空載損耗高），磁致伸縮系數A。高至3.9×10-6（變壓器噪音大），表面絕緣電阻最低僅有1~2 n，cm2/片（片問絕緣能力降低后直接威脅鐵芯安全），涂層附著性為D級甚至更差，產品質量存在嚴重缺陷。長期使用二次硅鋼片會給掛網運行的配電變壓器帶來嚴重的質量問題和安全隱患。通過全面檢驗硅鋼片的表面質量、磁性能、涂層性能、組織結構可鑒別出變壓器鐵芯材質是否為二次硅鋼片。
關鍵詞：配電變壓器：取向硅鋼：性能評估：鑒定
0引言
二次硅鋼片是指從國外進口或國內淘汰的廢舊變壓器上拆卸的取向硅鋼片，這種硅鋼片可以用來重新加工制作變壓器鐵芯。據不完全統(tǒng)計，2014年中國二歡硅鋼片的市場用量不少于15萬t。國家電網公司于201 1年組織北京、上海、江蘇等10家省市公司對其采購的配變／箱變進行專項抽檢工作，其中包括64家供應商的1 1 1臺10 kV配變／箱變(80臺油浸式配變和31臺箱變，容量涵蓋80—1 000 kVA)，發(fā)現4臺配電變壓器使用劣質廢舊硅鋼片：在2012年上半年公司系統(tǒng)內組織的各項抽檢中，再次發(fā)現使用表面銹蝕硅鋼片的變壓器6臺。跟蹤發(fā)現，近年來采用二次硅鋼片制造的變壓器有大量銷往偏遠地區(qū)使用的趨勢。
盡管國家工信部于2013年《推廣應用高性能電工鋼實施方案》發(fā)文中，明確禁止使用二次硅鋼片，然而現有觀察硅鋼片外觀（銹蝕、孔洞、劃傷、焊點、接縫等）的方法無法完全鑒別出鐵芯材料是否為二次硅鋼片，且更多的二次硅鋼片與新片在表面質量上完全一致。與此同時，從已發(fā)現的二次硅鋼片變壓器運行情況來看，體現出空載損耗大、噪音大、不穩(wěn)定的特點，顯然上述問題與二次硅鋼片的產品質量（如材料的表面質量、磁性能、過勵磁特性、絕緣涂層質量、涂層的抗老化能力、溫度特性等）有關，但現有文獻中很少有關于變壓器二次硅鋼片產品質量的全面測試評估。因此，本文對長期服役后的二次硅鋼片的產品質量進行測試分析，對比二次硅鋼片的產品性能及其與新取向硅鋼的差異，評估其對變壓器的潛在危害，并初步給出二次硅鋼片的技術鑒別方法，為后期屏蔽二次硅鋼片在配電變壓器中的使用提供技術參考。
1 二次硅鋼片性能測試分析
1.1 磁性能
配電變壓器用取向硅鋼的磁性能關系到鐵芯空載損耗、鐵芯體積、噪聲水平及安全裕度等。從市場上收集來自A地區(qū)、B地區(qū)及C地區(qū)不同厚度規(guī)格的二次硅鋼片（變壓器銘牌參數模糊，據供應商提供的信息，上述油片拆卸自1990年以前生產的變壓器），并對二次硅鋼片的磁性能進行測試分析，結果如表1所示，鐵損P1.7最高可達1.91 W/kg，且損耗水平波動極大；磁感B。僅為1.78～1.80 T;磁致伸縮系數明顯大于新硅鋼片（新片
低于300 nm/m），模擬疊成變壓器鐵芯后噪聲顯著上升，最高達到70.1 dB（A計權）。此外，觀察發(fā)現來自A地區(qū)0.27 mm厚度規(guī)格的部分二次油片的表面已明顯生銹，其他樣品在外觀上與新硅鋼片無差別�？傊�，與105牌號新取向硅鋼相比，長時間使用后的二次硅鋼片的鐵損、磁感、磁致伸縮系數及AWV噪聲指標明顯劣化。
1.2絕緣涂層性能
配電變壓器用取向硅鋼的絕緣涂層性能（涂層厚度、均勻性、表面電阻值、涂層附著性等）對鐵芯的安全性至關重要。圖1為來自A地區(qū)、B及C地區(qū)的二次油片絕緣涂層在掃描電鏡(SEM)下的形貌。二次油片的涂層厚度在1—2um之間，二次油片不同位置處的絕緣涂層在厚度上薄厚極不均勻，局部地區(qū)涂層甚至脫落，如圖1中紅色箭頭所指位置，損壞嚴重，這將導致變壓器鐵芯渦流損耗顯著增加，溫升加劇，鐵芯易被絕緣擊穿，造成安全隱患。相比之下，圖1d）中105牌號新硅鋼片的表面涂層質量完好，由硅酸鎂和磷酸鹽構成的致密絕緣涂層厚度均在2 um左右。
圖2為來自A地區(qū)、B地區(qū)及C地區(qū)的不同厚度規(guī)格二次硅鋼片的表面絕緣電阻的測試結果，測量時選取硅鋼片正、反兩面各9個不同位置，共18個點進行檢測。與硅鋼片的出廠值(>30Ω，cm2/片，圖2中紅線以上)相比，二次硅鋼片表面絕緣電阻下降明顯，0.27 mm的A地區(qū)樣品和0.35 mm的C地區(qū)樣品只有少數點達標；0.30 mm的B地區(qū)樣品和0.35 mm的A地區(qū)樣品的表面電阻已全部低于30Ωcm2，2種樣品中的最低值甚至分別下降至2.19和1.78 Ω cm2，二次油片的表面電阻已顯著劣化，嚴重不合格。
圖3給出了來自A地區(qū)、B地區(qū)及C地區(qū)的不同厚度規(guī)格二次硅鋼片的涂層附著性。GB/T2522-2007對硅鋼片涂層的附著性由好至壞依次分為A、B、C、D四個等級。A級最優(yōu)，D級為最低等級。圖中A地區(qū)二次油片的附著性100%為D級，B地區(qū)和C地區(qū)的部分或全部樣品的涂層附著性連D級都達不到，此處標記為E級，而新硅鋼片中40%被測樣品為C級，60%為B級�？梢�，長時間使用后的二次硅鋼片的絕緣涂層已嚴重老化，這與圖2中絕緣涂層電阻下降的結論對應一致。
1.3組織結構
來自A地區(qū)、B地區(qū)及C地區(qū)的二次硅鋼片的金相組織如圖4所示，二次硅鋼片的平均晶粒尺寸為1—3 mm,明顯小于圖4d）中105牌號新硅鋼片的平均晶粒尺寸，同時，大量統(tǒng)計新日鐵、浦項、武鋼、寶鋼等國內外典型取向硅鋼生產廠家的產品（包括刻痕產品）發(fā)現，新取向硅鋼的平均品粒尺寸在5—40 mm。結合取向硅鋼生產技術的發(fā)展進程，從二次再結晶的晶粒尺寸大小推測本研究中抽檢的二次硅鋼片的使用年限已相當久遠，估計在20年以上，與供應商提供的信息一致（拆卸自1990年以前生產的變壓器）。
采用電子背散射衍射( electron backscattereddiffraction，EBSD)技術進一步分析來自不同市場的二次硅鋼片的內部組織結構特征，結果如圖5所示（各樣品的取向成像圖分別由4個選區(qū)拼接而成），發(fā)現3種二次硅鋼片中對磁性能有利的{110)<001>高斯晶粒的取向度均較低（105牌號新硅鋼中高斯晶粒取向度明顯更高），并且存在不同數量的{111}晶粒，這是造成表1中二次硅鋼片磁感應強度值低的直接原因。
2二次硅鋼片的鑒別
單純采用目測的方法，難以有效地甄別二次硅鋼片，尤其是較新的或經二次處理的二次硅鋼片，因此，有必要建立一套二次硅鋼片鑒別方法，對二次硅鋼進行有效的甄別。依據對二次硅鋼片磁性能、絕緣涂層性能及組織結構的研究結果，可采用以下方法及步驟從技術上對二次硅鋼片進行鑒別。
(1)檢查硅鋼片的表面質量。是否存在表面銹蝕痕跡、油污、缺陷等現象，涂層漆膜顏色深淺是否均勻，通過外觀初步判斷硅鋼片新舊。
(2)測量硅鋼片的磁性能。GB/T 2521-2008對取向電工鋼片的磁性能的最低要求為：鐵損Pl，≤1.55 W/kg，磁感B。≥1.78 T。試驗表明，二次油片的鐵損往往高于該最低限，甚至高達1.91W/kg；此外，還可測量硅鋼片的磁致伸縮系數（噪聲等級），通過與新片進行對比，判斷材料的新舊屬性。
(3)評價硅鋼片的涂層性能。長時間使用后的硅鋼片絕緣涂層勢必發(fā)生劣化，通過評價絕緣涂層的各項性能指標判斷其是否為油片。研究發(fā)現，二次油片的涂層附著性僅為D級甚至更差，表面電阻系數遠低于30 fl.CIT12/片，微觀上涂層局部地區(qū)有脫落。
(4)觀察硅鋼片內部組織結構。二次油片往往是十年甚至幾十年以前生產的取向硅鋼產品，限于當時取向硅鋼生產技術水平，產品平均晶粒尺寸相對較小(1～3 mm)，{110}<001>高斯晶粒取向度低，且存在一定數量未被吞并的不利于磁性能的{111}晶粒。
綜合上述4個步驟，可以鑒別出硅鋼片是否為二次油片。
3結語
試驗分析表明，二次硅鋼片的鐵損最高的可達1.91 W/kg，磁感低至1.78 T，磁致伸縮系數大，疊成變壓器鐵芯后噪聲可達到70.1 dB（模擬A計權），二次硅鋼片的表面絕緣電阻最低僅為1～2 0,.cm2/片（片問絕緣能力降低后直接威脅鐵芯安全），涂層附著性為D級甚至更差，產品質量存在嚴重缺陷。
采用二次硅鋼片制成的配電變壓器，空載損耗高、抗過激磁能力差、噪聲大、不穩(wěn)定，在運行過程中將產生很大的渦流損耗，導致鐵芯局部發(fā)熱，使高低繞組溫升加劇，更為重要的是，硅鋼片極低的絕緣電阻易造成鐵芯絕緣擊穿，最終造成變壓器繞組絕緣擊穿短路而燒毀甚至爆炸，存在嚴重的安全隱患。
配電變壓器生產門檻低、企業(yè)多，管控復雜，且招標采購條件中未對鐵芯材料性能參數提出要求，致使一些小型配電變壓器廠采用二次片的情況仍較為嚴重，尤其是在偏遠地區(qū)的配電變壓器中�？紤]到采用二次硅鋼片配電變壓器的危害性，建議在招標采購條件中增加取向硅鋼性能檢測報告，并加強對配電變壓器取向硅鋼質量監(jiān)督、抽檢，加大管控力度，徹底剔除配電變壓器中的二次硅鋼片。
