程灵，魏剑啸，马光，杨富尧，陈新，朱承治
（1，国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所，北京 102209;
2，许继集团，河南许昌 461000；3，国网浙江省电力公司，浙江杭州 310007）
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摘要：取向硅钢制成变压器铁芯后直接关系电网的安全性和节能性。对配电变压器铁芯用二次硅钢片的性能进行了全面评估，结果表明，抽取自A地区、B地区及C地区的二次硅钢片的铁损最高可达1.91 W/kg（变压器空载损耗高），磁致伸缩系数A。高至3.9×10-6（变压器噪音大），表面绝缘电阻最低仅有1~2 n，cm2/片（片问绝缘能力降低后直接威胁铁芯安全），涂层附着性为D级甚至更差，产品质量存在严重缺陷。长期使用二次硅钢片会给挂网运行的配电变压器带来严重的质量问题和安全隐患。通过全面检验硅钢片的表面质量、磁性能、涂层性能、组织结构可鉴别出变压器铁芯材质是否为二次硅钢片。
关键词：配电变压器：取向硅钢：性能评估：鉴定
0引言
二次硅钢片是指从国外进口或国内淘汰的废旧变压器上拆卸的取向硅钢片，这种硅钢片可以用来重新加工制作变压器铁芯。据不完全统计，2014年中国二欢硅钢片的市场用量不少于15万t。国家电网公司于201 1年组织北京、上海、江苏等10家省市公司对其采购的配变／箱变进行专项抽检工作，其中包括64家供应商的1 1 1台10 kV配变／箱变(80台油浸式配变和31台箱变，容量涵盖80—1 000 kVA)，发现4台配电变压器使用劣质废旧硅钢片：在2012年上半年公司系统内组织的各项抽检中，再次发现使用表面锈蚀硅钢片的变压器6台。跟踪发现，近年来采用二次硅钢片制造的变压器有大量销往偏远地区使用的趋势。
尽管国家工信部于2013年《推广应用高性能电工钢实施方案》发文中，明确禁止使用二次硅钢片，然而现有观察硅钢片外观（锈蚀、孔洞、划伤、焊点、接缝等）的方法无法完全鉴别出铁芯材料是否为二次硅钢片，且更多的二次硅钢片与新片在表面质量上完全一致。与此同时，从已发现的二次硅钢片变压器运行情况来看，体现出空载损耗大、噪音大、不稳定的特点，显然上述问题与二次硅钢片的产品质量（如材料的表面质量、磁性能、过励磁特性、绝缘涂层质量、涂层的抗老化能力、温度特性等）有关，但现有文献中很少有关于变压器二次硅钢片产品质量的全面测试评估。因此，本文对长期服役后的二次硅钢片的产品质量进行测试分析，对比二次硅钢片的产品性能及其与新取向硅钢的差异，评估其对变压器的潜在危害，并初步给出二次硅钢片的技术鉴别方法，为后期屏蔽二次硅钢片在配电变压器中的使用提供技术参考。
1 二次硅钢片性能测试分析
1.1 磁性能
配电变压器用取向硅钢的磁性能关系到铁芯空载损耗、铁芯体积、噪声水平及安全裕度等。从市场上收集来自A地区、B地区及C地区不同厚度规格的二次硅钢片（变压器铭牌参数模糊，据供应商提供的信息，上述油片拆卸自1990年以前生产的变压器），并对二次硅钢片的磁性能进行测试分析，结果如表1所示，铁损P1.7最高可达1.91 W/kg，且损耗水平波动极大；磁感B。仅为1.78～1.80 T;磁致伸缩系数明显大于新硅钢片（新片
低于300 nm/m），模拟叠成变压器铁芯后噪声显著上升，最高达到70.1 dB（A计权）。此外，观察发现来自A地区0.27 mm厚度规格的部分二次油片的表面已明显生锈，其他样品在外观上与新硅钢片无差别。总之，与105牌号新取向硅钢相比，长时间使用后的二次硅钢片的铁损、磁感、磁致伸缩系数及AWV噪声指标明显劣化。
1.2绝缘涂层性能
配电变压器用取向硅钢的绝缘涂层性能（涂层厚度、均匀性、表面电阻值、涂层附着性等）对铁芯的安全性至关重要。图1为来自A地区、B及C地区的二次油片绝缘涂层在扫描电镜(SEM)下的形貌。二次油片的涂层厚度在1—2um之间，二次油片不同位置处的绝缘涂层在厚度上薄厚极不均匀，局部地区涂层甚至脱落，如图1中红色箭头所指位置，损坏严重，这将导致变压器铁芯涡流损耗显著增加，温升加剧，铁芯易被绝缘击穿，造成安全隐患。相比之下，图1d）中105牌号新硅钢片的表面涂层质量完好，由硅酸镁和磷酸盐构成的致密绝缘涂层厚度均在2 um左右。
图2为来自A地区、B地区及C地区的不同厚度规格二次硅钢片的表面绝缘电阻的测试结果，测量时选取硅钢片正、反两面各9个不同位置，共18个点进行检测。与硅钢片的出厂值(>30Ω，cm2/片，图2中红线以上)相比，二次硅钢片表面绝缘电阻下降明显，0.27 mm的A地区样品和0.35 mm的C地区样品只有少数点达标；0.30 mm的B地区样品和0.35 mm的A地区样品的表面电阻已全部低于30Ωcm2，2种样品中的最低值甚至分别下降至2.19和1.78 Ω cm2，二次油片的表面电阻已显著劣化，严重不合格。
图3给出了来自A地区、B地区及C地区的不同厚度规格二次硅钢片的涂层附着性。GB/T2522-2007对硅钢片涂层的附着性由好至坏依次分为A、B、C、D四个等级。A级最优，D级为最低等级。图中A地区二次油片的附着性100%为D级，B地区和C地区的部分或全部样品的涂层附着性连D级都达不到，此处标记为E级，而新硅钢片中40%被测样品为C级，60%为B级。可见，长时间使用后的二次硅钢片的绝缘涂层已严重老化，这与图2中绝缘涂层电阻下降的结论对应一致。
1.3组织结构
来自A地区、B地区及C地区的二次硅钢片的金相组织如图4所示，二次硅钢片的平均晶粒尺寸为1—3 mm,明显小于图4d）中105牌号新硅钢片的平均晶粒尺寸，同时，大量统计新日铁、浦项、武钢、宝钢等国内外典型取向硅钢生产厂家的产品（包括刻痕产品）发现，新取向硅钢的平均品粒尺寸在5—40 mm。结合取向硅钢生产技术的发展进程，从二次再结晶的晶粒尺寸大小推测本研究中抽检的二次硅钢片的使用年限已相当久远，估计在20年以上，与供应商提供的信息一致（拆卸自1990年以前生产的变压器）。
采用电子背散射衍射( electron backscattereddiffraction，EBSD)技术进一步分析来自不同市场的二次硅钢片的内部组织结构特征，结果如图5所示（各样品的取向成像图分别由4个选区拼接而成），发现3种二次硅钢片中对磁性能有利的{110)<001>高斯晶粒的取向度均较低（105牌号新硅钢中高斯晶粒取向度明显更高），并且存在不同数量的{111}晶粒，这是造成表1中二次硅钢片磁感应强度值低的直接原因。
2二次硅钢片的鉴别
单纯采用目测的方法，难以有效地甄别二次硅钢片，尤其是较新的或经二次处理的二次硅钢片，因此，有必要建立一套二次硅钢片鉴别方法，对二次硅钢进行有效的甄别。依据对二次硅钢片磁性能、绝缘涂层性能及组织结构的研究结果，可采用以下方法及步骤从技术上对二次硅钢片进行鉴别。
(1)检查硅钢片的表面质量。是否存在表面锈蚀痕迹、油污、缺陷等现象，涂层漆膜颜色深浅是否均匀，通过外观初步判断硅钢片新旧。
(2)测量硅钢片的磁性能。GB/T 2521-2008对取向电工钢片的磁性能的最低要求为：铁损Pl，≤1.55 W/kg，磁感B。≥1.78 T。试验表明，二次油片的铁损往往高于该最低限，甚至高达1.91W/kg；此外，还可测量硅钢片的磁致伸缩系数（噪声等级），通过与新片进行对比，判断材料的新旧属性。
(3)评价硅钢片的涂层性能。长时间使用后的硅钢片绝缘涂层势必发生劣化，通过评价绝缘涂层的各项性能指标判断其是否为油片。研究发现，二次油片的涂层附着性仅为D级甚至更差，表面电阻系数远低于30 fl.CIT12/片，微观上涂层局部地区有脱落。
(4)观察硅钢片内部组织结构。二次油片往往是十年甚至几十年以前生产的取向硅钢产品，限于当时取向硅钢生产技术水平，产品平均晶粒尺寸相对较小(1～3 mm)，{110}<001>高斯晶粒取向度低，且存在一定数量未被吞并的不利于磁性能的{111}晶粒。
综合上述4个步骤，可以鉴别出硅钢片是否为二次油片。
3结语
试验分析表明，二次硅钢片的铁损最高的可达1.91 W/kg，磁感低至1.78 T，磁致伸缩系数大，叠成变压器铁芯后噪声可达到70.1 dB（模拟A计权），二次硅钢片的表面绝缘电阻最低仅为1～2 0,.cm2/片（片问绝缘能力降低后直接威胁铁芯安全），涂层附着性为D级甚至更差，产品质量存在严重缺陷。
采用二次硅钢片制成的配电变压器，空载损耗高、抗过激磁能力差、噪声大、不稳定，在运行过程中将产生很大的涡流损耗，导致铁芯局部发热，使高低绕组温升加剧，更为重要的是，硅钢片极低的绝缘电阻易造成铁芯绝缘击穿，最终造成变压器绕组绝缘击穿短路而烧毁甚至爆炸，存在严重的安全隐患。
配电变压器生产门槛低、企业多，管控复杂，且招标采购条件中未对铁芯材料性能参数提出要求，致使一些小型配电变压器厂采用二次片的情况仍较为严重，尤其是在偏远地区的配电变压器中。考虑到采用二次硅钢片配电变压器的危害性，建议在招标采购条件中增加取向硅钢性能检测报告，并加强对配电变压器取向硅钢质量监督、抽检，加大管控力度，彻底剔除配电变压器中的二次硅钢片。
