Как производитель распределительных трансформаторов выбирает сталь для магнитопровода: марка ЭЭС, потери холостого хода и сроки поставки

Две коммерческие предложения на один и тот же блок мощностью 1500 кВА в наземном исполнении поступили на стол покупателя в Хьюстоне в прошлом месяце. Одинаковая мощность, одинаковое напряжение 13,8 кВ (треугольник) / 480Y/277 В, одинаковая импульсная выдерживаемая напряжённость 95 кВ, одинаковый сертификат UL. Разница в цене — 19 %, разница в сроках поставки — восемь недель.

Мы запросили у обоих поставщиков основные технические данные. Один из них указал раз取向ированная электротехническая сталь сталь марки M-4 толщиной 0,30 мм. Другой — сталь марки M-3 толщиной 0,27 мм. Эта одна строка объясняет большую часть разницы.

Как производителя распределительных трансформаторов такие ситуации мы наблюдаем еженедельно. Сердечник составляет около пятой части стоимости материалов и основную часть потери в холостом ходу , однако обычно его параметры — последнее, о чём спрашивают перед подписанием контракта.

Укладка ориентированной электротехнической стали на линии штамповки

Что такое ориентированная электротехническая сталь

Раз取向ированная электротехническая сталь — CRGO в большинстве заказов на закупку — это низкоуглеродистый сплав железа с кремнием (примерно 3,15 % кремния), прокатанный и отожжённый таким образом, что кристаллическая решётка выстраивается в текстуру Госса вдоль направления прокатки. Именно эта ориентация и является главной особенностью материала. Вдоль направления прокатки он легко намагничивается; поперёк него — практически не намагничивается.

Сердечник из электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой (CRGO) представляет собой магнитную цепь с предпочтительным направлением магнитного потока, и каждый разрез, стык и отверстие под болт в готовом наборе сердечника нарушают это направление. Именно поэтому конструкция сердечника имеет такое же значение, как и его марка, а недорогая обмотка всё равно может привести к высокой стоимости трансформатора.

На частотах 50 или 60 Гц существенное значение имеют два вида потерь. Потери на гистерезис зависят от сплава и качества отжига. Потери от вихревых токов зависят от толщины листов; именно поэтому сердечники распределительных трансформаторов изготавливают из листовой стали толщиной 0,23–0,30 мм, а не из листов толщиной 0,5 мм, применяемых в дешёвых малогабаритных трансформаторах. Повышение содержания кремния увеличивает удельное электрическое сопротивление и снижает потери от вихревых токов; уменьшение толщины листа дополнительно снижает эти потери. Кроме того, современные прокатные станы наносят на поверхность лазерную разметку для уточнения магнитных доменов — это даёт снижение суммарных потерь в сердечнике примерно на 5–10 % при одинаковой марке стали.

ASTM A876/A876M — это стандарт, на который чаще всего ссылаются в заказах на полностью обработанные марки стали.

Марка	Номинальная толщина	Типичные максимальные потери в сердечнике, Вт/кг при индукции 1,7 Тл и частоте 60 Гц	Где это проявляется
M-2	0,23 мм	0,85 – 0,95	Преимущественные по эффективности блоки, тендеры с штрафом за потери
M-3	0,27 мм	0,95 – 1,05	Рабочий класс эффективности на 2029 год
M-4	0.30 мм	1,05 – 1,15	Стандартные распределительные блоки, заказы с короткими сроками поставки

Читайте эту таблицу как ориентир, а не как обязательство. Технические паспорта заводов различаются в зависимости от поставщика, и потери, которые вы приобретаете, — это потери готового магнитопровода, а не потери, указанные на бирке катушки.

 

Почему два производителя распределительных трансформаторов указывают разные значения холостых потерь

Два завода могут закупить одну и ту же катушку марки M-3 и поставить трансформаторы с разницей в потерях на 12 % потери в холостом ходу . Разница обусловлена коэффициентом сборки — соотношением между измеренными потерями готового магнитопровода и теоретическими потерями стали того же веса до резки. Хорошо организованное производство магнитопроводов обеспечивает коэффициент в диапазоне от 1,10 до 1,25. При превышении этого значения технологический процесс «съедает» ватты, за которые вы уже заплатили.

Здесь происходит расход ватт. Во-первых, важна совместная конструкция: стыки «в лапку» под углом 45 градусов лучше торцевых стыков, поскольку магнитный поток пересекает меньше зазоров, а трёхступенчатая «лапка» лучше одноступенчатой. Во-вторых, важна плотность стыков на каждое плечо — каждый дополнительный стык увеличивает магнитное сопротивление. В-третьих, отверстия для болтов, пробитые в ярме: отверстие вынуждает магнитный поток обходить его по контуру. В-четвёртых, заусенец, оставшийся после продольной резки: он замыкает межслойную изоляцию по краю. В-пятых, усилие затяжки: чрезмерное усилие деформирует лист и повышает потери.

Отжиг — это операция, о которой покупатели почти никогда не спрашивают. Резка и штамповка нарушают структуру зёрен на краю каждой пластины; отжиг снятия напряжений после резки восстанавливает большую часть этого ущерба. Пропустите отжиг или передайте сердечник субподрядчику, который обрабатывает смешанную партию, и вы частично утратите то, за что уже заплатили при изготовлении обмотки.

На основной линии оператор проверяет высоту заусенца микрометром на каждой разрезанной катушке до того, как она поступит на стол резки. Любое значение выше 0,02 мм отмечается как несоответствие, поскольку такой заусенец проявится в виде потерь при окончательном испытании, а не при резке — а к этому моменту сердечник уже будет уложен в пакет. Пакеты собираются с трёхступенчатым перекрытием, и каждый сердечник стягивается лентой вместо болтового крепления через ярмо.

Измерение потерь холостого хода и тока намагничивания до установки в бак

Расчёт стоит выполнить один раз: он превращает спор о технических характеристиках в конкретную цифру. Трансформатор мощностью 1000 кВА с потерями в стали 1200 Вт, работающий 8760 часов в год при тарифе 0,09 долл. США/кВт·ч, потребляет ежегодно около 946 долларов США на энергию холостого хода. Десять процентов коэффициента загрузки (120 Вт) составляют 95 долларов США в год — примерно 1900 долларов США за 20-летний срок службы одного трансформатора. Умножьте эту сумму на парк из сорока единиц, и параметр потерь в стали перестанет выглядеть второстепенным.

 

Как марка стали сердечника определяет дату поставки

Это то, что удивляет команды по закупкам. В масляный трансформатор , основной компонент обычно является материалом с самым длительным сроком поставки, который закупается извне; его поставка предшествует поставке бака и иногда — поставке втулок. Электротехническая сталь с ориентированной зернистостью — это прокатный продукт, реализуемый по годовым контрактам на распределение объёмов, причём наиболее дефицитной частью этого распределения являются марки высокой магнитной проницаемости толщиной 0,27 мм, поскольку каждый производитель, стремящийся соответствовать таблицам энергоэффективности на 2029 год, запрашивает одну и ту же рулонную сталь.

Поэтому, когда поставщик предлагает сократить график на шесть недель за счёт перехода от марки M-3 к марке M-4, он, скорее всего, не преувеличивает возможности ускорения графика. Он обменивает ваш потери в холостом ходу на своё положение у прокатного завода. Если проект предусматривает условие оценки убытков, такой обмен, как правило, приводит к убыткам в течение всего срока эксплуатации установки. Если же проект связан с временным электроснабжением строительной площадки и требует завершения через десять недель, применение марки M-4 может быть как раз оптимальным решением. Ошибка заключается в том, чтобы совершить такой обмен случайно — просто потому, что никто не уточнил, какая именно марка была указана в коммерческом предложении.

Теперь нормативный документ включён непосредственно в этот расчёт. Согласно пункту 10 CFR 431.196, маслонаполненные и сухие распределительные трансформаторы низкого напряжения, произведённые 23 апреля 2029 года или позже, должны соответствовать обновлённым таблицам эффективности; действующий текст опубликован в eCFR, раздел 10 CFR, подраздел K . Единица, заказанная в 2028 году для ввода в эксплуатацию в 2029 году, находится прямо на этой границе, а марка электротехнической стали сердечника — это то, где фактически приобретается соответствие требованиям, а не на табличке или в каталоге.

Это имеет последствия для закупок, на которые стоит обратить внимание заблаговременно. Если вы приобретаете единицу, готовую к эксплуатации в 2029 году, в 2026 или 2027 году, вы фактически резервируете выделение марки M-3 за два–три года до даты вступления требований в силу, конкурируя со всеми остальными покупателями, которые ознакомились с тем же правилом.

 

Анализ гарантии потерь в коммерческом предложении

Гарантированное и типовое значения — это не одно и то же, и в коммерческих предложениях редко уточняется, какое именно из них имеется в виду. Стандарт IEC 60076-1 допускает погрешность +15 % для гарантированных потерь, поэтому гарантия на 1200 Вт юридически покрывает значение до 1380 Вт. Если вы формулируете штрафную оговорку, привязывайте её к гарантированному значению и измеряйте потери методом холостого хода в соответствии с действующим Коду испытаний IEEE C57.12.90 , а также установите предельную погрешность в заказе на поставку.

Мы публикуем гарантированное значение уже с учётом допустимой погрешности. Если расчёт проекта даёт 1180 Вт, то в гарантии указывается именно 1180 Вт, и результаты заводских испытаний должны быть равны этому значению или ниже его. Это более строгое обязательство, которое исключает споры на этапе приёмочных испытаний. Кроме того, оно заставляет цех по сборке магнитопроводов поддерживать коэффициент заполнения на низком уровне в течение всего года — именно этого и требует задача.

Ещё два параметра, которые необходимо проверить в коммерческом предложении. Во-первых, уточните, скорректированы ли потери холостого хода на температуру 75 °C или 85 °C, поскольку эти значения не взаимозаменяемы, а в предложениях редко указывается, какая из этих двух систем использовалась. Во-вторых, проверьте, указан ли вообще вес магнитопровода. В конструкции трансформатора мощностью 1000 кВА разница в весе магнитопровода на 40 кг означает либо применение более качественной стали, либо использование меньшего количества стали; при этом оба варианта выглядят одинаково в одностраничном коммерческом предложении.

 

Что мы изменили в собственном цехе изготовления магнитопроводов

Компания Ryan Electric производит трансформаторы с 2007 года на территории площадью более 120 000 м², оснащённой свыше 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и имеющей 37 патентов. Как производителя распределительных трансформаторов с собственным производством резки магнитопроводов мы пропускаем магнитопроводы для масляных и сухих трансформаторов через одни и те же линии резки, ступенчатой сборки и отжига снятия напряжений, а не передаём их стороннему подрядчику. Именно этот подход позволяет нам обеспечивать стабильное и воспроизводимое значение коэффициента заполнения в течение всего производственного года. Каждое изделие получает потери в холостом ходу и измерение тока возбуждения до заливки масла, чтобы выявить дефектный набор пластин, пока магнитопровод ещё доступен, а не после заливки масла.

С 2023 года мы работаем как совместное предприятие Eaton, и дисциплина аудита, появившаяся в результате этого партнёрства, изменила способ документирования электротехнической стали сердечника. Сертификат прокатного стана, номер плавки и измеренная толщина листов фиксируются в отношении серийного номера каждого изделия и сопровождают отчёт об испытаниях. Для покупателя в США или Канаде именно эта документация обеспечивает обоснованность соответствия стандартам UL или CSA спустя пять лет, когда инспектор задаст вопрос, какая сталь была использована в изделии.

 

Шесть вопросов перед утверждением спецификации на магнитопровод

Задайте их до оформления заказа, а не после заводских испытаний:

• Какой стандарт ASTM и какая толщина, а также каковы потери по данным паспорта завода-изготовителя при индукции 1,7 Тл?
• Гарантированное значение — потери в холостом ходу жёсткий предел или типичное значение с дополнительным допуском?
• Какой строительный коэффициент был принят в проекте, и какое значение этого коэффициента было фактически получено при испытании последних трёх единиц данного размера?
• Производится ли отжиг сердечника после резки, и выполняется ли отжиг на собственном производстве или передаётся сторонней организации?
• Прилагается ли к отчёту о рутинных испытаниях сертификат завода-изготовителя и номер плавки?
• Если срок поставки сдвигается на восемь недель вперёд, какие изменения касаются марки стали и кто принимает соответствующее решение?

Направьте нам техническое задание и дату ввода в эксплуатацию. Мы ответим единым документом, указав марку сердечника, гарантированный потери в холостом ходу и неделю поставки; кроме того, мы честно сообщим, подходит ли марка M-4 для вашего графика. Каждый производителя распределительных трансформаторов предоставит вам значение потерь; немногие покажут сертификат завода-изготовителя, лежащий в его основе. Начните с линейка масляных трансформаторов или направьте технический паспорт через нашу страница контактов .

Об авторе — Эта статья подготовлена инженерной группой по трансформаторам компании Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), a производителя распределительных трансформаторов производство маслонаполненных, сухих и опорных трансформаторов для проектов в Северной Америке, на Ближнем Востоке и в Юго-Восточной Азии. Команда отвечает за базовое проектирование, оценку потерь и заводские приемо-сдаточные испытания устройств мощностью от 15 кВА однофазных до 200 МВА силовых трансформаторов.