新型高性能取向硅鋼在低頻變壓器鐵心材料中的應用

引言

在全球能源轉型與電力需求激增的背景下，低頻變壓器作為電力傳輸與分配的核心設備，其能效與可靠性備受關注。鐵芯材料作為變壓器的“心臟”，直接決定了設備的損耗、振動與溫升特性。近年來，新型高性能取向硅鋼憑借其優異的磁性能與低損耗特性，成為低頻變壓器鐵心材料的研發熱點，并在實際應用中展現出顯著的節能與穩定性優勢。

一、取向硅鋼的磁性能優勢與技術創新

取向硅鋼是一種通過特殊軋制與退火工藝形成的軟磁材料，其晶粒沿軋制方向高度取向，具備高飽和磁通密度（通常≥1.9 T）和低鐵損特性，尤其適合低頻變壓器的高效運行需求。然而，傳統取向硅鋼在薄規格化與抗熱穩定性方面存在瓶頸。為此，科研團隊通過以下技術路徑實現了突破：

抑制力近恒量控制技術：鞍鋼集團北京研究院通過優化熱加工與冷軋工藝，提出抑制力近恒量控制技術，使取向硅鋼在更薄規格（如0.23 mm）下仍保持高磁感（B8≥1.94 T），并降低鐵損至0.95 W/kg（P1.7/50），顯著提升了材料的高頻適應性。

耐熱刻痕技術：國網智能電網研究院開發的“耐熱刻痕取向硅鋼立體卷鐵心”專利技術，通過表面刻痕與退火工藝優化，增強了材料在高溫環境下的磁導率與熱穩定性，鐵心損耗較傳統產品降低20%以上，并顯著減少電磁振動。

組合鐵心設計：華北電力大學團隊提出將取向硅鋼與非晶合金組合的鐵心結構，利用取向硅鋼的高飽和磁通密度與非晶合金的低損耗特性，實現了空載損耗降低67.8%、振動位移峰值減少38.2%的協同效果。

二、應用優勢與產業化進展

新型取向硅鋼在低頻變壓器中的應用，主要體現在以下三個方面：

1. 節能降耗

以汕頭110kV紅場變電站的全球首臺非晶合金取向硅鋼立體卷鐵心變壓器為例，其空載損耗較國標1級能效值下降60%以上，單臺年節電達12萬度，相當于減少72噸二氧化碳排放。這一成果得益于取向硅鋼的低損耗特性與非晶合金的協同設計，為高電壓等級變壓器的低碳化提供了范例。

2. 穩定性提升

傳統非晶合金因磁致伸縮系數大易引發振動問題，而取向硅鋼的加入有效平衡了鐵心的機械性能。實驗表明，組合鐵心的振動位移峰值較純非晶合金鐵心降低38.2%，顯著延長了設備壽命。此外，耐熱刻痕技術使鐵心在高溫環境下的磁性能波動控制在5%以內，適應了極端氣候下的電網需求。

3. 產業化落地

鞍鋼集團已實現23AG095牌號取向硅鋼的量產，并通過國家電網認證，年產能突破萬噸。其產品被山東泰開、河北高晶等企業應用于高能效變壓器，助力電網損耗降低10%15%。與此同時，國網智能電網研究院的耐熱刻痕技術正逐步推廣至可再生能源系統與電動汽車領域，進一步拓展了應用場景。

三、未來研究方向與挑戰

盡管新型取向硅鋼已取得顯著進展，仍需在以下領域深化研究：

磁滯效應建模：當前組合鐵心設計尚未完全考慮磁滯特性，需建立雙非線性磁路電路耦合模型以優化動態性能。

超薄規格開發：隨著高頻電力電子設備的發展，0.15 mm以下超薄取向硅鋼的制備工藝亟待突破，需解決晶粒取向控制與機械強度平衡問題。

成本控制：非晶合金與取向硅鋼的組合雖能增效，但材料成本較高，需通過規模化生產與工藝優化降低成本。

結語

新型高性能取向硅鋼通過材料創新與結構優化，為低頻變壓器的高效化與智能化提供了關鍵技術支撐。隨著“雙碳”目標的推進與智能電網建設的深化，其應用潛力將進一步釋放。未來，通過跨學科合作與產業鏈協同，取向硅鋼技術有望引領電力設備向更低損耗、更高可靠性的方向邁進，為全球能源轉型注入新動能。