高锰无磁钢在输变电设备中的应用

田 一，巩学海，王广克，孔晓峰，刘主光

(1. 全球能源互联网研究院，北京 102211； 2. 国网浙江省电力公司 金华供电公司，浙江 金华 321000；3. 国网浙江省电力公司 温州供电公司，浙江 温州 325000)



高锰无磁钢在输变电设备中的应用

田 一1，巩学海1，王广克1，孔晓峰2，刘主光3

(1. 全球能源互联网研究院，北京 102211； 2. 国网浙江省电力公司 金华供电公司，浙江 金华 321000；3. 国网浙江省电力公司 温州供电公司，浙江 温州 325000)

特高压系统中，电流强度增加导致钢制结构件、紧固件、金具中涡流损耗增大，甚至出现局部过热。与普通钢相比，高锰无磁钢的电阻率更大、磁导率更低，可显著降低涡流损耗，避免温升效应。随着冶炼工艺、热处理技术的发展，以及对Fe-C组织相变机制的不断深入研究，无磁钢在输变电领域显示出良好的应用前景。

高锰无磁钢；特高压；涡流损耗；磁导率；输变电设备

我国电力资源分布不均衡，为满足跨区域、长距离输电要求，特高压电网获得迅速发展，相应的输变电设备需求不断提升。特高压电网可输配大规模电能，以榆横—潍坊工程和锡盟—山东工程为例，二者建成投运后每年共输送440亿kW·h电量。因此，相较于常规电压等级，特高压输变电装备具有更大的功率容量，设备运行时，导线、引线中将通过更高的电流。在常规的铁磁性结构件、紧固件、金具中，高电流将产生严重的磁化效应和涡流效应，不仅造成铁损，降低传输效率，而且导致构件温度上升，形成局部过热，甚至影响设备安全运行。电工装备厂家开始采用无磁钢替代传统的碳素钢、铸铁等制造关键构件[1]。其中，高锰无磁钢力学性能优良，磁导率低，冶炼和热处理工艺已发展成熟，在输变电设备中被大量应用。

1 材料磁导率对损耗的影响

当导线中通过交变电流时，导线周边将产生磁场。磁场中的磁性材料被磁化后，材料内任意一点产生的磁感应强度为：

B=μ0μrI/2πr

(1)

式中，μ0为真空磁导率，μr为材料的相对磁导率，I为导线电流，r为材料内该点与导线的距离。假设该材料为薄板材料，且为磁各向同性的均匀磁化，B的变化都是正弦波形，按照马克斯维尔方程推到出薄板材料的涡流经典公式为[2]：

(2)

式中，t为板厚，f为频率，Bm为最大磁感应强度，当导线电流为幅值电流时，利用公式(1)即可求出，ρ为材料电阻率，γ为材料密度，k为波形系数，对正弦波形来说k=1.1。根据公式(1)、(2)可知，材料的涡流损耗与磁导率成正比，材料的磁导率越高，涡流损耗越大，产生的热量越大。

除涡流损耗外，磁性材料在交变磁场中被反复磁化，由于磁滞原因而损耗(即磁滞损耗)为：

(3)

式中，k和a为常数，由实验确定。由公式(1)、(3)可知，磁滞损耗与磁导率成正比。故材料磁导率越大，电能传输过程中总体损耗越大，输电效率越低，热效应越严重。

2 高锰无磁钢材料体系

无磁钢的室温组织为具有面心立方结构的顺磁性奥氏体，磁导率很低。在磁场作用下，无磁钢因相对磁导率略大于1，磁化作用很弱，基本不产生磁感应。冶炼过程中，添加适量Mn、Cr、V等合金元素，扩大Fe-C相图中的奥氏体区，配合适当的热处理工艺，即可获得无磁钢[3]。不同的合金成分、配比将赋予无磁钢不同的性能特点，如Ni、Mn等元素可保证奥氏体组织稳定，提升力学性能；Cr元素质量分数提升至13%以上，可保证不锈性能；V元素可形成弥散强化作用，增加屈服强度。

对于一些只要求高强度、无磁性而对不锈性能要求不高的零部件，为控制成本，常采用较高的Mn和C(或N)含量来扩大奥氏体相区。锰系无磁钢具有良好的韧性和加工硬化性能，在强冲击、高应力工况下表现出良好的耐磨性，早期主要用于矿山、冶金等行业的耐磨材料。在Fe-Mn系高锰奥氏体无磁钢基础上，通过改性工艺优化，逐渐发展出Fe-Mn-Cr系、Fe-Mn-Al系等多个系列。

2.1Fe-Mn系无磁钢

Hadfield钢为最早使用的Fe-Mn系奥氏体无磁钢[4]，其成分为11%～14%Mn，0.9%～1.4%C，在早期，其强度、韧性、耐磨性和加工硬化能力均满足使用要求。德国钢铁协会通过改进热处理工艺，推出牌号为X120Mn12和X35Mn18的Fe-Mn系无磁钢，屈服强度提升至250～600MPa，抗拉强度提升至700～900MPa。阿塞洛米塔尔钢铁公司与蒂森—克虏伯公司通过技术革新，将Fe-Mn-0.6C无磁钢的屈服强度增至599MPa，抗拉强度增至1 162MPa，均匀延伸率高达52.8%。随着层错能分析模型、形变孪晶等机制的深入研究，Fe-Mn系无磁钢通过合金化工艺，机械强度进一步提升。

2.2Fe-Mn-Cr系无磁钢

Fe-Mn-Cr系无磁钢的典型合金成分为18Mn-4Cr，曾一度作为大型发电机护环用无磁结构钢[5]，但腐蚀性介质容易引起应力腐蚀开裂，近年来逐渐被18Cr-18Mn-N无磁钢替代。随着冶炼工艺的发展，现已形成多种牌号的Fe-Mn-Cr系无磁钢。由于Cr元素的存在，部分牌号的耐腐蚀性良好。

2.3Fe-Mn-Al系无磁钢

与高Cr-Ni无磁钢相比，Fe-Mn-Al系无磁钢采用Mn代替Ni稳定奥氏体，采用Al代替Cr增加奥氏体层错能，既降低了成本，又使得钢具备高强度、抗氧化、耐腐蚀、低密度等性能特点。Al的添加可抑制γ→ε的转变，保证无磁钢在低温下的性能稳定性。通过成分配比优化，现已形成15Mn26Al4、30Mn20A13、30Mn26A14V等多个系列的Fe-Mn-Al系无磁钢，室温屈服强度已达到556MPa的水平[6]。

3 输变电设备中的应用

特高压系统中，变电器、电抗器设备的漏磁场，以及输电线路中的大电流产生的附加磁场，将导致钢制结构件、紧固件、金具等设备中产生发热效应。采用无磁钢作为关键构件的原材料，可有效抑制温升效应。

3.1 变压器

变压器铁心拉板、夹件、油箱、升高座、法兰以及箱沿等均为金属结构件，磁导率较高，容易受漏磁场影响。尤其对于大型变压器，中、低压线圈电流可达10～20 kA，漏磁场非常强[1]。工程上一般通过在元件上设置磁屏蔽，降低进入金属结构件的漏磁通。但变压器中漏磁场分布较为复杂，磁屏蔽一旦设置不当，容易形成新的过热点。近年来，变压器厂家开始采用磁屏蔽+无磁钢结构件的方式降低漏磁影响，油箱壁等部位的发热量明显下降。表1为采用模拟软件，计算油箱、升高座采用普通钢与无磁钢制作时，引起的损耗结果对比[7]。

表1 不同材料油箱壁的热量损耗计算结果对比 W

由表1可知，采用无磁钢代替普通钢，涡流损耗大约下降了50%左右。在变压器中，常用的无磁钢牌号包括20Mn23Al、30Mn20Al3、45Mn17Al3、40Mn18Cr3等，其主要化学成分、力学性能如表2～3所示。

表2 变压器常用无磁钢化学成分 %

表3 变压器常用无磁钢力学性能

3.2 电抗器

从结构上，电抗器可分为铁心电抗器与空心电抗器。铁心电抗器结构如图1所示，铁心饼在交变磁场作用下相互排斥，产生振动，主要依靠铁心压紧装置进行减振。该装置的主要受力部件为高强拉杆，位于铁心饼中间通孔处。此处磁场强度高，温升效应严重，对拉杆的机械强度、耐高温性、抗疲劳强度要求较高。保变、山东电工等厂家均选用高强度无磁钢作为拉杆材料，主要牌号包括10Mn20Al、50Mn18Cr4和TSMF166。其中，TSMF166为高氮钢，由于氮元素对奥氏体的稳定和强化效果显著，该

图1 电抗器基本结构

类无磁钢的机械强度高，耐晶间腐蚀、点腐蚀，是理想的结构受力材料。山西太钢通过无磁钻铤用高氮不锈钢TSMF166冶炼实践，开发出VOD+LF组合增氮技术，解决了冶炼中碳、锰、氮含量控制的问题，确保该类结构件在复杂强电磁场环境下可稳定服役。TSMF166钢的主要成分见表4，力学性能见表5。

表4 TSMF166钢化学成分(质量分数)/%

表5 TSMF166钢力学性能

对于空心电抗器，由于缺少铁心对磁力线的束缚作用，其漏磁场强度高于铁心电抗器。主要受到漏磁场影响的部件为电抗器底部的星型支架，以及罩在线圈外部的隔声罩钢板。其中，星型支架是电抗器的主要承重部件，位于电抗器底部。该部件处在电抗器的散热路径上，与发热线圈直接接触，加上漏磁场引起的热效应，导致温度处于较高水平。隔声罩外壁一般为钢制结构件，与线圈距离较近，容易被磁化。选用无磁钢制备星型支架、隔声罩外壁，可显著降低损耗，避免温升效应。

3.3 金具

金具多数采用可锻铸铁或铸钢制造，磁导率较高，容易围绕导线构成一个闭合磁回路。当导线中传输电流时，金具内便会产生磁滞损耗和涡流损耗。据统计，在配电网中，金具产生的能耗约占输电容量的0.01%～0.03%；线路上一个铁磁材料制造的悬垂线夹，相当于一个30 W的灯泡，每年损耗量在亿千瓦以上。而且，各类损耗导致金具内导线温度上升，机械强度下降，如线路来回振荡，该处导线容易断股[8]。为降低损耗，增加输电可靠性，国网正大力推广节能金具的应用。常规节能金具采用聚碳酸酯、无磁性球铁和铝合金制备，但因性能、工艺、成本等因素未能普及。无磁钢的电磁、机械性能均可满足金具的使用要求，在节能金具制造中具有很好的实用价值。

为确定无磁钢金具的节能效果，使用无磁钢制备XGU-3W悬垂线夹的压条、挂板、U型螺丝，夹持LGJ-240/30钢芯铝绞线，接通450 A，50 Hz的交流电，测量其能耗，并与普通的Q235钢制备的金具进行对比。该试验共分3组进行，结果如表6所示。

由表6可知：采用无磁钢制作金具的某些零部件，可隔断金具中的磁回路，降低金具能耗。与普通金具相比，无磁钢金具的节能率高达92.4%。

表6 节能金具对比试验数据 W

3.4 紧固件

输变电设备，大多采用钢制紧固件进行连接组装。由于体积较小，钢制紧固件中更容易产生局部过热，影响紧固效果。目前，市面上常用的无磁紧固件主要为不锈钢紧固件和铝合金紧固件。其中，无磁不锈钢为奥氏体钢，Mn含量在1%～6.5%，Cr含量在8%～19%左右(质量分数)，最大抗拉强度可达800 MPa以上，相对磁导率在1.005左右。由于紧固件多数暴露于户外，良好的防锈能力可保证长期服役效果。盛泽新材料有限公司、北京电力设备厂均大量采用不锈钢紧固件组配变压器、电抗器及隔声罩等配套设施，发挥出良好的紧固连接功能。

4 结 论

与普通钢相比，无磁钢的电阻率更大、磁导率更低，用于制备变压器、电抗器的结构件、节能金具、紧固件等装置，可显著降低涡流损耗，避免温升效应。随着冶炼工艺、热处理技术的发展，以及对Fe-C组织相变机制的不断深入研究，无磁钢已具备高强度、抗疲劳、防锈、抗磨损、耐高温等多元功能特性，在输变电领域显示出良好的应用前景。

[1] 郗文勇. 变压器中低磁钢板结构件焊接工艺的改进[J]. 工艺与设备, 2007(5): 76-77.

[2] 何忠治, 赵宇, 罗海文. 电工钢[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2012.

[3] 李长生, 马彪, 宋艳磊, 等. 无磁钢的研究概况和我国无磁钢的发展思路[J]. 河南冶金, 2014, 22(1): 1-12.

[4] 蒋旨宁. 含锰奥氏体钢的发展[J]. 材料导报, 1990(6): 25-32.

[5] 马最眉. 18-18新型护环钢的应用特性[J]. 大电机技术, 1991(2):22-27.

[6] 马彪. N18和N20高锰无磁钢的组织和性能研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2013.

[7] 毛一之, 王丹璐, 张文玲, 等. 电力变压器大电流引线屏蔽的基础研究[J]. 变压器, 2016, 53(4): 20-24.

[8] 陆松华. Fe-Mn基奥氏体无磁钢在节能金具上的应用研究[D]. 江苏: 江苏大学, 2006.

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，工程师，研究方向：噪声与振动控制、电网防护新材料开发，手机：18501949381，E-mail：570701593@qq.com.

TG142.7;TM73

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.032