Внедрение аморфных трансформаторов в сеть. Переход на напряжение 20 кВ
Технические науки
Похожие материалы
Анализ научно-технической и патентной литературы по современным типам трансформаторов и перехода на напряжение 20кВ
Аморфные трансформаторы. История появления. Аморфные сплавы это один из видов химического сплава. Одним из нескольких особенных различи аморфного сплава от электротехнической стали — отсутствие периодичности в расположении атомов.Его различие от нормальных сплавов кристаллической структуры, это другие физическое и химические свойства. А так же эти сплавы отличаются сильной стойкостью к коррозии, они в несколько раз прочнее и обладают лучшей электромагнитной характеристикой [1].
За рубежом первые распределительные трансформаторы мощностью 630 — 1000 кВА с аморфным сердечником были изготовлены более 10 лет назад. В данном направлении более всех продвинулись США, Китай и Индия. Начиная с 2009 года, ряд европейских распределительных компаний также установили в опытную эксплуатацию несколько трансформаторов мощностью 400 кВА с сердечником из аморфной ленты. В 2012 году первой в России к выпуску силовых трансформаторов с аморфными сердечниками АТМГ приступила группа «Трансформер» [1].
Аморфная сталь само по себе очень хрупкая практический как стекло и поэтому требует особого отношения при его изготовлении, так же представляет из себя интерес из за очень низких потерь холостого хода. И поэтому важно проверить остаются ли они такими в течение времени, так же важно выполнить мероприятия по эффективности применения аморфных сплавов в сердечниках трансформаторов.
Аморфный трансформатор ТСЛА. Трансформаторы ТСЛА особо не отличаются от обычных сухих трансформаторов ни визуально, ни конструктивно. Сухие трансформаторы ТСЛА в зависимости от назначения бывают нескольких видов:
Рисунок 1. Внешний вид обмоток ТСЛА
Внешне ТСЛА отличается в зависимости от назначения и типом изоляции. Они имеют стандартные технические параметры, поэтому они легко могут заменить другие марки (ТС, ТСЛ, ТЛС, ТСЗГЛ, ТСЗ, GDNN, T3R, TRIHAL, RESIBLOK, SCB и др.) без дополнительных затрат на проектирование[5].
Сравнивая характеристики намагничивания обычного и аморфного сплава видно что петля гистерезиса у аморфной стали меньше чем у кремнистой трансформаторной стали. Это значит что потери холостого хода меньше у аморфной стали на 70-80% по сравнению с обычным трансформатором [5].
Рисунок 2. Диаграмма сравнения площади ограниченная петлей гистерезиса
Рисунок 3. Сравнения трансформаторов
Преимущества аморфных трансформаторов ТСЛА:
Рисунок 4. Активная часть трансформатора
Переход на напряжение 20 кВ. Переход на напряжение 20кВ осуществляется для того что бы уменьшить потери напряжения и использования меньшего количества цветных металлов.Применение 20 кВ позволит сократить число трансформаторных подстанции. Это означает уменьшение трансформируемой мощности от 5 до 7%. Также сократить использование цветного металла и увеличение дальности обслуживание ПС и возможность получить дальнейшие развитие для предприятия так же дополнительные резервы экономии электроэнергии и топлива[13].
Когда еще только энергетика развивалась, в сетях использовали напряжения на 2,3,6кВ. Но после 1917 года рост энергетики резко пошел верх и понадобился перейти на более высокое напряжение. Сейчас в таких сетях используют напряжение 6-10кВ[13].
Расчеты (МЭИ с 1950 по 1965 гг.) по переходу на напряжение 20 кВ показали, что нормальное напряжение многих промышленных предприятии близка к напряжению 20 кВ. Но даже после введения в государственный стандарт она не смогла получить дальнейшие применение из за того что не было оборудования которые могли бы использоваться для этого напряжения(кабели, трансформаторы и т.д.) [10].
Напряжение 20кВ даже при затруднениях с оборудованием можно получить путем временных мер, как, например:
Внедрение напряжения 20 кВ в городские сети. Применять в городских сетях напряжения 20 кВ становиться очень выгодно, в связи с тем что постоянно в городах увеличивается плотность нагрузки и требование к качеству электроэнергии становиться все строже. Внедрять сети с напряжением 20 кВ экономически целесообразно в случаях когда плотность тока выше 65 кВт/км2. Моделирование сетей сельских(6,10,35кВ) поселений показала что, сети 10кВ целесообразно использовать при плотности тока менее 60 кВт/км2, а 35 кВ целесообразно применять если зона применения больше 25 км [11].
Для внедрения напряжения 20 кВ нужно в первую очередь решить следующие задачи:
ТП, распредустройства, линии электропередач это составные части электросетей. Отечественные производители выпускают выпускают силовые трансформаторы для ГПП 110/20 и 220/20 кВ, но не с достаточно широким диапазоном мощностей, по сравнению с трансформаторной подстанцией на 110/6 и 110/10 кВ. Для реализации выпуска высоковольтного оборудования на 20 кВ, необходим опыт иностранных фирм производящих оборудования на такие напряжения. Само по себе компоновка и электрическая схема распределительных устройств на 20 кВ и 6, 10 кВ друг от друга не отличаются[12].
В распредустройства входят высоковольтные выключатели, разъединители, выключатели нагрузки, предохранители, разъединители и т.п. Номенклатура высоковольтных предохранителей на 20 кВ похожа номенклатурой предохранителей на 10 кВ, но стоят они больше чем предохранители на 10 кВ примерно на 20-30%.
При проектировании сети 20 кВ рекомендуется закладывать элегазовые или вакуумные высоковольтные выключатели.
Если реконструировать электрические сети 6-10 кВ на 20 кВ есть вариант выбрать трансформаторы на 20 кВ таким образом что бы их габариты не отличались от нынешних трансформаторов на 10 кВ, тогда можно воспользоваться зданиями уже существующих ПС и сэкономить при замене трансформаторов. Точно так же и со шкафами комплектного распределительного устройства, они отличаются лишь внутренней «начинкой»[12].
Для постепенного переходя на напряжение 20 кВ необходимо усовершенствовать сети 6 кВ, отработавших свой нормативный срок. Обычная реконструкция позволит лишь восстановить функционирование. Для того что бы добиться успеха в модернизации, необходимо постепенно переходит на напряжение 20 кВ, сначала заменить оборудование в сетях 6кВ а потом на 10 кВ. Такая модернизация позволить уйти от трехступенчатой системы передачи к двухступенчатой(от 110-35-6 к 110-20)[12].
Преимущества применения напряжения 20 кВ в отличие от 6(10)кВ:
Математическая модель на основании сравнения трансформаторов с магнитопроводами из электротехнической стали и магнитопроводами из аморфного сплава и напряжения 10, 20, 35кВ
Анализ сравнения трансформаторов с магнитопроводами из электротехнической стали и магнитопроводами из аморфного сплава. Каждый год потребление электроэнергии в России находится на уровне 1000 миллиардов кВт·ч [22], при этом общие потери электрической энергии в распределительных трансформаторах оцениваю в 75 миллиардов кВт·ч и примерно 50 % — это потери в магнитопроводах.
Затраты на возмещение потерь холостого хода оцениваются в 260 руб./кВт в год [23]. Таким образом, возмещая только потери хх в денежном выражении может составить 975 миллиардов руб/год. Кроме этого, эксплуатация распределительных трансформаторов также требует значительных материальных и трудовых затрат и любое снижение затрат дает существенную экономию.
Ежегодные затраты на обслуживание одного распределительного трансформатора с магнитопроводом из электротехнической стали составляют примерно 8 % от его первоначальной стоимости.
В современных условиях снижение затрат на производство и эксплуатацию распределительных трансформаторов — основная задача изготовителей, для решения которой необходимо, прежде всего, использовать в них современные конструкции магнитопровода [25].
Наиболее перспективный путь — это организация производства магнитопроводов распределительных трансформаторов из аморфных сплавов [26].
Применение магнитопроводов из аморфных сплавов, в распределительных трансформаторах, обеспечивает резкое, более чем пятикратное снижение потерь холостого хода по сравнению с магнитопроводами из электротехнической стали [23].
Энергоэффективные распредели тельные трансформаторы с магнитопроводами из нанокристаллических материалов, по данным энергетических компаний США и Японии, окупаются у покупателя примерно за три года [24].
Проведем расчет потерь холостого хода для трансформаторов с магнитопроводом из электротехнической стали и для трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава по формуле:
где Tpi –время работы трансформатора, ч, Ui–замеренное напряжение на высшей стороне трансформатора, кВ, Uном–номинальное напряжение высшей обмотки трансформатора, кВ.
Таблица 1. Электрические характеристики трансформаторов
Номинальное напряжение трансформатора, кВт
Потери электроэнергии в силовых трансформаторах, кВт
Предназначены для применения в городских энергосистемах, распределительных электросетях и на других обхектах энергетики, как и трансформаторы ТМГ. Однако в отличие от ТМГ дают возможность сберечь значительную долю электроэнергии, расходующейся на потери холостого хода в самом работающем трансформаторе. Опыт эксплуатации аморфных трансформаторов за рубежом показал, что разница в цене между трансформатором АТМГ и ТМГ, равная примерно 30-35%, и окупается в течение 3-5 лет в зависимости от региональных тарифов на электроэнергию.
Преимущества трансформаторов АТМГ
Высокая энергоэффективность: применение аморфной стали при изготовлении магнитопровода позволяет на 75% снизить потери холостого хода, что является настоящим технологическим прорывом в направлении создания энергосберегающих трансформаторов.
Улучшенные магнитные характеристики: магнитопровод из аморфных сплавов имеет значительно меньшие удельные магнитные потери по сравнению с аналогом из электротехнической стали, обладает высокой магнитной проницаемостью и индукцией насыщения на высоких частотах.
Доступная стоимость: в настоящее время зарубежные производители освоили серийное производство аморфной ленты, достаточной для изготовления всей линейки трансформаторов мощностью 32-1600 кВА. Снижение стоимости материала позволило предложить потребителям силовые аморфные трансформаторы по доступным ценам.
Экономическая целесообразность: опыт эксплуатации аморфных трансформаторов за рубежом показал, что повышенная на 30-35% стоимость силовых трансформаторов АТМГ мощностью 32-1250 кВА окупается в течение 3-5 лет в зависимости от региональных тарифов на электроэнергию.
Основыне характеристики трансформаторов АТМГ
Мощность 32-1000 кВА Напряжение (6, 10, 20 кВ)±2×2,5% / 0,4 кВ Исполнение У1; охлаждение естественное
Сердечники из аморфных и нанокристаллических сплавов
Таким образом, отличительной особенностью таких материалов является содержание в их составе одновременно как аморфной составляющей, так и определенной доли кристаллической фазы. Размер кристаллитов в таких сплавах составляет 10-20 нм, поэтому эти материалы часто называют нанокристаллическими. В зависимости от состава сплава процентное фазовое соотношение может меняться. Как правило, преобладает доля кристаллической структуры.
Сердечники фирмы Magnetec (Германия) на основе нанокристаллического материала NANOPERM®
Компания Magnetec, основанная в 1984 году специализируется на выпуске сердечников и дросселей на основе тонкой ленты из нанокристаллического материала на основе железа NANOPERM®.
Высокий технический уровень фабрик и культура производства, расположенных в Венгрии, Индии и Китае, обеспечивает сочетание высочайшего качества с приемлемым уровнем цен.
Нанокристаллические сердечники
Серия EMC Обеспечение электромагнитной совместимости EMC. Для магнитопроводов импульсных источников питания и трансформаторов тока.
Серия LM Для применения в EMC фильтрах с большим количеством асиметричных интерференсных токов.
Сердечники COOL BLUE Нанокристаллические сердечники для изготовления EMC фильтров с большим импедансом, трансформаторов с низкими потерями, для защиты моторов и генераторов от пиковых выбросов напряжения и тока.
Серия LC Недорогие нанокристаллические сердечники из материала NANOPERM для малогабаритных синфазных дросселей фильтров EMI.
Дроссели на основе нанокристаллических сердечников
Двухобмоточные синфазные дроссели для подавления радиопомех
Тороидальные аморфные и нанокристаллические магнитопроводы МСТАТОР
На сегодняшний день компания МСТАТОР осуществляет выпуск лент из аморфных и нанокристаллических сплавов марки АМАГ шириной от 1 до 30 мм и толщиной от 15 до 30 мкм, тороидальные магнитопроводы, а также готовые электромагнитные компоненты. Вся продукция предприятия соответствует современным европейским и североамериканским стандартам. Более подробно ознакомиться с выпускаемой номенклатурой магнитопроводов и свойствами сплавов МСТАТОР можно в разделах: «Тороидальные аморфные и нанокристаллические магнитопроводы Мстатор»» «Характеристики аморфных и нанокристаллических сплавов серии АМАГ (МСТАТОР)»
Аморфное (от греч. amorphous — бесформенный) представляет собой некристаллическое состояние твердого вещества, которое характеризуется изотропией свойств и отсутствием точки плавления, то есть процесс плавления происходит в некотором температурном интервале. При повышении температуры аморфное вещество размягчается и постепенно переходит в жидкое состояние. В аморфном состоянии нет дальнего порядка в расположении атомов, поэтому без внешних воздействий макроскопические свойства тела являются изотропными. Однако ближний порядок — ближайшее окружение атома в пределах трех первых координационных сфер — в аморфном состоянии сохраняется. Ближний порядок характерен и для жидкостей, но, в отличие от твердых тел, в жидкости происходит постоянный интенсивный обмен местами соседних атомов, который затрудняется по мере увеличения вязкости. Поэтому твердое тело в аморфном состоянии принято рассматривать как переохлажденную жидкость с очень высоким коэффициентом вязкости.
В аморфном состоянии твердое тело имеет больший объем и энтропию, поэтому при переходе в кристаллическое состояние вещество уплотняется с выделением значительного количества теплоты. Экспериментально аморфное состояние устанавливают по отсутствию дифракционных максимумов на рентгено-, нейтроно- и электрограммах, которые характерны для кристаллов, обладающих трансляционной периодичностью в расположении атомов. Аморфное состояние силикатных стекол формируется в процессе затвердевания переохлажденного расплава при непрерывном возрастании вязкости, и этот процесс называют стеклованием. По этой причине аморфное состояние, полученное из переохлажденного расплава, также называют стеклообразным.
Аморфная структура твердого тела такова, что ближайшее окружение атома нельзя сопоставить с какой-либо кристаллографической системой. При описании аморфной структуры исходят из модели случайной упаковки жестких сфер, которую первоначально предложил Бернал (1960 г.) для однокомпонентной жидкости. В этой модели структура тела определяется путем минимизации его объема. Для описания двухкомпонентных систем используют стереохимический подход (Гаскелл, 1979 г.), при этом координационные ячейки (нанокластеры) имеют симметрию, аналогичную тем ячейкам, которые реализуются в кристаллической фазе этой же бинарной системы. Предполагается, что эти нанокластеры существовали уже в исходном расплаве и были унаследованы в процессе быстрого охлаждения. Об изменении структуры расплава в процессе нагрева свидетельствует появление гистерезиса физических свойств, если температура расплава превысила некоторое критическое значение [1]. При переходе через критическую температуру расплав становится более однородным, снижается средний размер нанокластеров, что приводит к увеличению вязкости расплава и увеличению максимальной толщины ленты, при которой фиксируется аморфное состояние [2].
Для фиксации твердого состояния переохлажденной жидкости необходима высокая скорость охлаждения. Такая скорость достигается в объектах, имеющих небольшой размер хотя бы в одном направлении: к ним можно отнести порошок, проволоку или ленту. Способность вещества переходить из расплава в аморфное твердое состояние определяет его стеклообразующую способность, которую можно характеризовать максимальной толщиной образца hmax, имеющего аморфную структуру при заданной скорости охлаждения. При этом аморфное состояние получается только при условии превышения некоторой критической скорости охлаждения Rc, которая для сплавов на основе железа, кобальта и никеля составляет 10 5 –10 6 К/с, что соответствует максимальной толщине ленты примерно 30–40 мкм.
В чистых металлах аморфное состояние трудно достижимо. Растворенные атомы, особенно, если их размер сильно отличается от размера атомов основного компонента, существенно сдерживают диффузию и, следовательно, стабилизируют аморфное состояние. Таким образом, стеклообразующая способность выше в многокомпонентных системах, имеющих более трех элементов. Повышению стеклообразующей способности способствует значительная разница в размерах основных трех химических элементов в сплаве (предпочтительно, чтобы она превышала 12%), а также отрицательная теплота смешивания этих элементов. В качестве независимого параметра стеклообразующей способности используют приведенную температуру стеклования Tg/Tm, где Tg — температура стеклования, Tm — температура плавления. На рис. 1 представлено соотношение между критической скоростью охлаждения расплава Rc, максимальной толщиной образца hmax с аморфной структурой и приведенной температурой стеклования Tg/Tm для разных аморфных сплавов [3]. Металлические сплавы с хорошей стеклообразующей способностью, имеющие критическую скорость охлаждения на уровне силикатного стекла 103 К/с и менее, выделяют в группу объемных аморфных металлических сплавов. Изделия из этих сплавов имеют аморфную структуру в толщине до 100 мм.
Рис. 1. Соотношение между критической скоростью охлаждения расплава Rc, максимальной толщиной образца hmax и отношением температуры стеклования к температуре плавления Tg/ Tm для различных типов аморфных сплавов
Тонкую аморфную металлическую ленту получают методом спиннингования расплава (англ. spinning — вытягивание), который заключается в формировании струи жидкого металла, вытекающего из отверстия в резервуаре, и подачи его на быстро движущуюся охлаждающую поверхность. При столкновении с поверхностью струя жидкого металла образует лужу, которая непрерывно пополняется из резервуара (рис. 2).
Рис. 2. Схематическое изображение устройства для производства аморфной ленты
В свою очередь холодная, быстро движущаяся поверхность непрерывно вытягивает из лужи быстрозакаленную ленту. В настоящее время при производстве аморфной ленты используется метод плоской струи, который, по сути, является усовершенствованным методом спиннингования. Стабильность лужи в этом способе достигается за счет малого зазора между соплом и движущейся поверхностью, около 0,2 мм. Это позволяет существенно снизить различные возмущения в луже расплава и стабилизировать процесс разливки. Вследствие симметрии процесса в методе плоской струи нет ограничений для получения широкой ленты. На современных установках непрерывной разливки производят аморфную ленту шириной до 300 мм.
Аморфные сплавы обладают высокой прочностью по сравнению с кристаллическими материалами. Известно, что прочность кристаллических металлов значительно меньше их теоретически возможных значений, что связано с наличием в реальных кристаллах дислокаций — элементарных носителей пластической деформации. В аморфной структуре фактически нет дислокаций, по крайней мере, в том виде, в котором они вводятся для кристаллической решетки. Это означает, что подвижность дефектов, ответственных за пластическое течение в аморфных сплавах, такова, что их движение возможно лишь при напряжении, близком к теоретическому значению G/30, где G — модуль сдвига. Кроме того, в аморфных сплавах предел текучести δт и предел прочности на разрыв δf практически равны между собой ввиду отсутствия деформационного упрочнения. Модули упругости в аморфных сплавах на 30–50% ниже, чем в кристаллических материалах. Это связано с тем, что вследствие хаотического расположения атомов в аморфном состоянии возрастает свободный объем, а средняя сила взаимодействия между атомами снижается. Увеличение скорости закалки в более тонких лентах приводит к росту свободного объема и снижению модулей упругости.
Наряду с высокой прочностью аморфные сплавы обладают высокой твердостью. При этом важным фактором является химический состав, поскольку твердость увеличивается в ряду металлоидов P, Si, C, B, добавляемых в сплав в качестве аморфизаторов. Твердость связана с модулем упругости и пределом текучести линейными соотношениями. Для аморфных сплавов отношение твердости по Виккер-су HV к пределу текучести δт составляет 2,5–3 (рис. 3), что близко к теоретическому значению 2,9 для идеально пластичных тел, не имеющих деформационного упрочнения [4]. Все сказанное позволяет называть аморфные сплавы высокопрочными материалами.
Рис. 3. Связь твердости HV с пределом текучести σт в аморфных сплавах на основе железа
Аморфные сплавы сочетают в себе высокую прочность и упругость. На рис. 4 приведено сравнение пределов прочности и упругости различных материалов.
Рис. 4. Пределы прочности и упругости различных материалов
Объемные аморфные металлические сплавы, состоящие из большого числа элементов с различным диаметром атомов, например, сплав Витрелой Zr41,2 Be22,5Ti13,8 Cu12,5 Ni10, производятся в промышленном масштабе. Здесь реализуется одно из основных преимуществ быстрозакаленных сплавов, а именно, возможность смешивания различных химических элементов без образования фаз и соединений, что обеспечивает однородность химического состава изделия. Сочетание высоких пределов упругости и прочности позволяет использовать объемные аморфные сплавы для изготовления спортивного инвентаря (например, ракетки для тенниса, клюшки для гольфа, бейсбольные биты), корпусов часов и телефонов [5].
Нагрев аморфных сплавов сопровождается структурными изменениями, связанными с атомными перестройками без диффузии на значительные расстояния. Такая структурная релаксация сопровождается уплотнением аморфной матрицы, обусловленной аннигиляцией избыточного свободного объема и снятием остаточных напряжений. Поэтому в результате нагрева аморфные сплавы постепенно теряют пластичность, то есть происходит их охрупчивание. Этот процесс начинается при температуре 200…300 °С. Температура ох-рупчивания выше в более тонкой ленте, полученной при высокой скорости закалки расплава, и она совпадает с температурным интервалом наиболее интенсивного уплотнения аморфного сплава.
При еще более высокой температуре аморфный сплав кристаллизуется. Фактически в качестве температуры кристаллизации аморфных сплавов принимается значение Тх, соответствующее началу экзотермического пика на кривой зависимости тепловыделения от температуры. Для большинства аморфных сплавов температура кристаллизации составляет (0,4–0,6) Тп температуры плавления и зависит от химического состава сплава. Современные промышленные аморфные сплавы имеют температуру кристаллизации, как правило, более 500 °С. Кристаллизация аморфных сплавов сопровождается существенным изменением большинства физических свойств с выделением теплоты и увеличением плотности материала. Необходимо отметить, что формирование первых кристаллитов начинается при температуре примерно на 100 °С ниже Тx. Часто кристаллизация начинается с поверхности, где выше структурная и химическая неоднородность материала и, следовательно, выше вероятность формирования зародышей кристаллизации.
Как правило, в результате кристаллизации формируются зерна размером 0,1–1 мкм, что приводит к катастрофическому ухудшению магнитных свойств, при этом коэрцитивная сила увеличивается на несколько порядков. Поэтому термическую обработку аморфных сплавов проводят при температуре ниже температуры кристаллизации сплава, так, чтобы сохранить его аморфную структуру. Стимулирование зарождения центров кристаллизации по всему объему аморфной матрицы и сдерживание начала процесса кристаллизации до более высокой температуры позволяет значительно уменьшить размер кристаллитов, до 10 нм. Вследствие ослабления макроскопической магнитной анизотропии в нанокристаллическом материале значительно возрастает магнитная проницаемость [6]. Таким образом, в исходном состоянии нанокристаллические сплавы представляют аморфный прекурсор со специально подобранным химическим составом, в котором после контролируемой термической обработки формируется нанокристаллическая структура.
Магнитомягкие материалы характеризуются низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Чтобы добиться таких характеристик, необходимо в первую очередь свести к нулю константу магнитной анизотропии — величину, которая входит в выражение для плотности энергии магнитной анизотропии. В частном случае одноосной магнитной анизотропии плотность магнитной энергии записывается в виде wA=Ksin²θ, где K — константа магнитной анизотропии, а θ — угол между вектором намагниченности и главной осью симметрии. В кристаллических материалах ввиду трансляционной периодичности неизбежно существование естественной кристаллографической магнитной анизотропии. В аморфном состоянии этот тип магнитной анизотропии отсутствует, поэтому аморфные металлические сплавы изначально являются хорошим объектом для получения магнитомягких свойств.
В настоящее время аморфные металлические материалы, а точнее, металлические стекла, полученные из переохлажденного расплава, используются преимущественно в качестве магнитомягких материалов. Практически все производители имеют одинаковый сортамент, который можно рассмотреть на примере аморфных сплавов «ГАММАМЕТ» [7]. В таблице 1 представлены типичные свойства кольцевых магнитопроводов в защитных контейнерах после термической обработки без магнитного поля (в условном обозначении после цифр отсутствует буква), а также после отжига в продольном магнитном поле (условное обозначение с буквой А) и в поперечном магнитном поле (условное обозначение с буквой В). Все аморфные сплавы имеют высокое удельное электрическое сопротивление около 1,3·10 –6 Ом·м и температуру кристаллизации 520…540 °С при номинальной толщине ленты 25 мкм. Сплавы на основе железа с первой цифрой 4 в условном обозначении отличаются высокой магнитной индукцией и магнитострикцией насыщения. Кроме того, нанокристаллические сплавы на основе железа (ГМ 414 и ГМ 412) имеют также высокую магнитную проницаемость [8]. Аморфные сплавы на основе кобальта с первой цифрой 5 в условном обозначении имеют близкую к нулю магнитострикцию насыщения, а это дополнительный фактор высокой магнитной проницаемости материала. В таблице приведены магнитные свойства материала, поэтому в электротехнических расчетах коэффициент заполнения магнитопровода принимается равным 0,7.
В таблице 1 магнитопроводы разделены на три группы в соответствии с требованиями к основной магнитной характеристике: высокая начальная магнитная проницаемость, высокая прямоугольность петли магнитного гистерезиса и низкая остаточная магнитная индукция. Для достижения высокой начальной магнитной проницаемости магнитопроводы ГМ 501 и ГМ 414 проходят термическую обработку без магнитного поля. Эффект термомагнитной обработки хорошо проявляется во всех аморфных сплавах, за исключением сплавов с температурой Кюри ниже 200 °С. Так, на рис. 5 представлены петли магнитного гистерезиса сплава ГМ 503 после отжига в продольном и поперечном магнитном поле.
Рис. 5. Петли магнитного гистерезиса аморфного сплава на основе кобальта после термической обработки в продольном (ГМ 503А) и поперечном (ГМ 503В) магнитном поле
Стрелками схематически показаны направления намагниченности в магнитных доменах. Магнитопровод ГМ 503А имеет прямоугольную петлю магнитного гистерезиса, а его перемагничивание происходит вследствие смещения на 180° доменных границ. Петля магнитного гистерезиса магнитопровода ГМ 503В имеет значительный линейный участок с низкой остаточной магнитной индукцией, поскольку перемагничивание такого магнито-провода осуществляется поворотом намагниченности к направлению магнитного поля.
Достаточно высокое для металлов удельное электрическое сопротивление аморфных сплавов (1,3·10 –6 Ом·м) и толщина ленты 25 мкм определяют частотную область применения. В силовых устройствах электротехники и электроники аморфные сплавы можно эффективно использовать до частоты 100 кГц, учитывая допустимую температуру перегрева устройства. Если речь идет о маломощных электрических сигналах, то область применения расширяется до 10 МГц. При этом принимается в расчет, что в металлических материалах затухание обусловлено в первую очередь вихревыми токами, которые вызывают более слабое снижение магнитной проницаемости с частотой 1/√f, чем затухание, связанное с колебаниями доменных границ в ферритах, пропорциональное 1/f.
Нанокристаллические сплавы на основе железа ГМ 414 и ГМ 412 сочетают в себе высокую магнитную проницаемость, низкие удельные магнитные потери, низкую магнитострикцию и достаточно высокую магнитную индукцию насыщения. Это наиболее универсальные в магнитном отношении сплавы находят применение в широкой области частот. Аморфный сплав на основе железа ГМ 440 имеет высокую магнитную индукцию насыщения и низкие удельные магнитные потери. Сплав особенно эффективен на частоте 0,05–5 кГц, где полностью реализуется его высокая магнитная индукция без заметного перегрева магнитопровода. Аморфные сплавы на основе кобальта имеют близкую к нулю магнитострикцию насыщения. В промышленности изготавливаются сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью (ГМ 501), с высоким или низким коэффициентом прямоугольности петли магнитного гистерезиса (ГМ 503). В аморфном сплаве ГМ 515В достигается наиболее высокое постоянство магнитной проницаемости в широкой области напряженности магнитного поля до 300 А/м (рис. 6).
Рис. 6. Петля магнитного гистерезиса аморфного сплава на основе кобальта ГМ 515В с высокой магнитной индукцией насыщения после термической обработки в поперечном магнитном поле
Оказалось, что производителям аморфных сплавов экономически целесообразно изготавливать магнитопроводы из этих сплавов, имеющих форму, размеры и свойства, необходимые заказчику, в отличие от выпуска магнитопроводов из электротехнической стали и прецизионных сплавов. Электротехническая сталь поставляется в виде, готовом для использования, и только в случае изготовления витых или небольших плоских позиций у заказчика требуется отжиг для снятия внутренних напряжений. Прецизионные железоникелевые сплавы вообще поставляются без термической обработки. Магнитные свойства этих сплавов формируются в процессе рекристаллизации в защитной среде или вакууме после изготовления изделия заданной формы и размера у заказчика.
Поскольку для получения высокой магнитной проницаемости необходимо обязательно проводить отжиг при температуре 380…480 °С для снятия закалочных напряжений после быстрого охлаждения расплава, а также напряжений после навивки магнитопроводов, то аморфная лента неизбежно теряет пластичность. Однако процесс изготовления магнитопроводов из аморфной ленты организован так, что операции, требующие хорошей пластичности, проводят до отжига. После термической обработки магнитопровод имеет механические свойства, которые достаточны для того, чтобы без повреждений переместить его в защитный контейнер. Защитный контейнер предохраняет магнитопровод от внешних воздействий, а его перемещение внутри контейнера ограничено упругим наполнителем.
Упрочнение магнитопроводов достигается также другими средствами, например, пропиткой неорганическим или органическим клеем. При этом магнитопровод представляет композицию магнитного и немагнитного материала. В зависимости от степени упрочнения магнитопроводы можно использовать без защитного контейнера или для последующей механической обработки, например, резки для создания немагнитных зазоров или пазов. Естественно, что при упрочнении магнитопровода магнитные свойства снижаются. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо приходить к компромиссу между магнитными и механическими свойствами изделия. В таблице 2 приведены магнитные свойства композиционных магнитопроводов «ГАММАМЕТ», которые изготовлены из тех же сплавов, что и соответствующие магнитопроводы в защитных контейнерах (таблица 1). Магнитные свойства в таблице 2 характеризуют композиционный материал, поэтому они отнесены к единице геометрического сечения или единице объема магнитопровода. В электротехнических расчетах коэффициент заполнения композиционного магнитопровода принимается равным 1.
Современные технологии позволяют изготавливать магнитопроводы из аморфных сплавов больших размеров, до 1000 мм, при этом форма магнитопроводов может быть кольцевой, овальной, стержневой, П- и Ш-образной [9]. Из аморфной ленты можно изготавливать очень крупные магнитопроводы для трансформаторов и электрических реакторов, работающих в силовых устройствах на частоте несколько килогерц. Низкие удельные магнитные потери в области нескольких десятков килогерц используются в трансформаторах и реакторах малой мощности [10]. Очень высокая начальная магнитная проницаемость определяет еще одну область применения — трансформаторы тока высокого класса точности, а также различные измерительные преобразователи [11]. Высокая магнитная проницаемость в широкой области частот, до 10 МГц, необходима для помехоподавляющих фильтров. Разнообразно применение аморфных материалов после термомагнитной обработки, в результате которой петля магнитного гистерезиса становится прямоугольной или имеет низкую остаточную магнитную индукцию. Например, магнитопрово-ды с прямоугольной петлей используются в качестве помехоподавляющего насыщающего реактора, обеспечивающего подавление выбросов тока в момент перехода прямого тока через ноль при переключении полупроводникового диода, или в качестве магнитного усилителя в источниках вторичного питания.
Сердечники COOL BLUE 
Серия LC 
Двухобмоточные синфазные дроссели для подавления радиопомех
