大容量變壓器鐵心結(jié)構(gòu)件材料優(yōu)化

李俊 劉向鵬 趙月

摘 要：長期以來大容量變壓器鐵心結(jié)構(gòu)件為了防止局部過熱均采用無磁鋼制造。無磁鋼強度低，體積大，價格高，不易加工的缺點制約著產(chǎn)品優(yōu)化降本。本文通過計算對比分析大容量變壓器高漏磁區(qū)鐵心結(jié)構(gòu)件的渦流損耗分布，得到了高漏磁區(qū)鐵心結(jié)構(gòu)件在滿足一定條件下，可以采用普通高強度鋼替代無磁鋼，從而為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大容量變壓器；鐵心結(jié)構(gòu)件；無磁鋼；高強度鋼；渦流損耗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.146

1 前言

目前國內(nèi)變壓器廠家對大容量變壓器繞組高漏磁區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)件傳統(tǒng)上均采用無磁鋼制造。雖然無磁鋼板有很好的抗磁性，較低的渦流損耗，但強度低，造成結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)格偏大，而且其材料屬性較黏，機加與焊接性能很差，生產(chǎn)效率低下，加之材料價格昂貴，綜合而言，經(jīng)濟性能非常差。因此，減少無磁鋼在變壓器結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用成為降本增效的有效途徑。高強度鋼既有高的強度，是無磁鋼的3倍，又有良好的機加、焊接性能，可以大幅度提高生產(chǎn)效率，降低成本。以往產(chǎn)品高漏磁區(qū)域結(jié)構(gòu)件采用無磁鋼是因為計算不準確造成的，只要解決了此問題，并采用新型的磁屏蔽結(jié)構(gòu)，有效的控制磁路，用高強度普通結(jié)構(gòu)鋼取代無磁鋼是完全可以的。

2 夾件加強板渦流損耗的分析

無磁鋼夾件加強板損耗密度分布在其整個厚度上，而普通鋼夾件加強板損耗密度分布在其正對線圈的面上，雖然最大渦流密度前者是后者的1/2。但渦流損耗前者反而比后者稍大些。通常認為在相同的漏磁場環(huán)境下，無磁鋼要比普通鋼損耗低，這種觀點是片面的。如果考慮到透入深度的問題，即無磁鋼的透入深度較大，隨著材料厚度的增加則損耗也隨之增大，而普通鋼透入深度小，當材料厚度超過3mm，隨著材料厚度的增加其損耗幾乎不再增加。本文中的夾件加強板厚度為32mm，所以，將夾件加強板的材料由無磁鋼換成普通鋼其熱點溫度不會有太大的變化。

3 拉板渦流損耗的分析

由于拉板處于鐵心截面圓內(nèi)決定了其厚度不能設(shè)計得很厚，否則會減少鐵心片的占空比，造成結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟。本文中的拉板厚度為12mm，此厚度與透入深度比較起來不是太厚，集膚效應(yīng)幾乎不明顯。在相同漏磁場條件下，普通鋼材料的拉帶渦流損耗肯定要大于無磁鋼，而拉板又是高受力構(gòu)件，需要更高的強度來減小其截面積。無磁鋼強度低，無法滿足要求。高強度普通鋼能夠很好的滿足受力需求，但一定要與磁屏蔽配合使用，否則會發(fā)生局部過熱。下面就有無嵌入壓板式磁屏蔽時，對拉板渦流損耗密度分布情況進行了對比。由計算結(jié)果可知：拉板渦流損耗集中區(qū)域出現(xiàn)在隔磁槽部位上側(cè)，無嵌入壓板磁屏蔽時，普通鋼拉板的最大渦流損耗密度為7.05×106W/m3，渦流損耗為808W。有嵌入壓板磁屏蔽時，普通鋼拉板的最大渦流損耗密度為3.33×106W/m3，渦流損耗為522W。前者比后者渦流損耗密度大了2倍多，總損耗大了1.5倍多，因此普通鋼拉板必須配合嵌入式壓板磁屏蔽使用，否則會有局部過熱的風險。

4 拉帶渦流損耗的分析

由于拉帶占據(jù)窗內(nèi)空間決定了其厚度不能設(shè)計得很厚，否則會增加鐵心窗高，浪費材料。本文中的拉帶厚度為10mm，此厚度與透入深度比較起來不是太厚，集膚效應(yīng)幾乎不明顯。在相同漏磁場條件下，普通鋼材料的拉帶渦流損耗肯定要大于無磁鋼，而拉帶又是高受力構(gòu)件，需要更高的強度來減小其截面積。無磁鋼強度低，無法滿足要求。高強度普通鋼能夠很好的滿足受力需求，但拉帶因自身空間位置距離嵌入壓板磁屏蔽較近，容易發(fā)生局部漏磁集中，造成局部過熱，因此，大容量高阻抗變壓器窗內(nèi)拉帶到磁屏蔽的空間距離要有綜合考量，太遠結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟，太近容易發(fā)生局部過熱。下面就拉帶到壓板式磁屏蔽的距離差一根拉帶時，渦流損耗密度分布情況進行了對比。拉帶距離磁屏蔽100mm時損耗為209.34W，50mm時損耗為405.52W，后者比前者渦流損耗大了將近2倍，因此大容量變壓器普通鋼拉帶到嵌入式壓板磁屏蔽的距離一定要有綜合考量，否則會有局部過熱的風險。

5 結(jié)論

本文以實際變壓器為背景，通過軟件計算分析了高漏磁區(qū)域鐵心結(jié)構(gòu)件采用高強度導(dǎo)磁鋼代替無磁鋼的可行性，得到了一些啟示和結(jié)論：

（1）夾件加強板由于自身結(jié)構(gòu)較厚，采用普通鋼板集膚效應(yīng)明顯，在高漏磁區(qū)域容易達到渦流損耗飽和，造成其與相同尺寸無磁鋼的渦流損耗相差不大，只是在渦流損耗密度分布上要比無磁鋼集中，從而熱點溫度要稍高些，一般為4-5K，這在工程是完全可以接受的。因此，在高漏磁區(qū)域普通鋼結(jié)構(gòu)件越厚，其與無磁鋼熱點溫度的區(qū)別越不大，越可以采用高強度鋼替代無磁鋼。

（2）拉板、拉帶由于自身結(jié)構(gòu)較薄，采用普通鋼板集膚效應(yīng)不太明顯，在同樣磁場條件下，同厚度的普通鋼拉板、拉帶一定比無磁鋼渦流損耗大，更容易發(fā)生局部過熱，因此普通鋼拉板要與嵌入壓板式磁屏蔽配合使用，其中，拉帶在結(jié)構(gòu)上與磁屏蔽越近越經(jīng)濟，但過近的距離會因磁屏蔽周圍的磁場集中而發(fā)生局部過熱，因此拉帶到磁屏蔽的距離要綜合考量距離。

（3）根據(jù)本文的計算結(jié)果，單柱容量334MVA及以下大容量變壓器高漏磁區(qū)域鐵心結(jié)構(gòu)件材料可以由無磁鋼優(yōu)化成普通高強度鋼，進而減少無磁鋼的使用量，降低材料成本，提高車間生產(chǎn)效率。

參考文獻：

[1]謝毓城.電力變壓器手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：2-3.

[2]尹克寧.變壓器設(shè)計原理[M].北京：中國電力出版社，2003：3-8.