變壓器的骨架—鐵心設計簡析

(特變電工沈陽變壓器集團有限公司 遼寧 沈陽 110144)

一、概述

變壓器是根據(jù)電磁感應原理制造的，磁路是電能轉換的媒介，而鐵心就是變壓器的磁路部分，由磁導體和夾緊裝置組成：

1.鐵心由磁導率很高的冷軋硅鋼片疊制而成，鐵心的磁導體是變壓器的磁路。它把一次電路上的電能轉為磁能，又把磁能轉變?yōu)槎坞娐返碾娔?，是能量轉換的載體。

2.鐵心是變壓器的內(nèi)部骨架，鐵心的夾緊裝置具有機械方面的功能。鐵心的心柱上套裝各個繞組，支持著引線、木件、分接開關和其他一些組件。

二、鐵心截面及形式

變壓器鐵心通常選用高導磁，低損耗，低噪聲的優(yōu)質(zhì)晶粒取向冷軋硅鋼片疊成。多級圓形截面是用得最廣泛的心柱截面形狀。級數(shù)越多，截面越接近于圓形，填充系數(shù)就越大。

(一)疊積形式

目前采用的疊片方式為：鐵心疊片如沒有需要原則上盡可能采用五級接縫，一片一疊，每級步長1 0(如下圖1所示)，所有片形均開定位孔，孔徑為φ16。

圖1 疊片方式

當心柱片寬>900時，采取拼接方式，三級接縫，兩片一疊，每級步長20，不開定位孔(如圖2所示)。當心柱片寬<900時若需拼接則由車間自行處理。對于大容量鐵心壓軛心柱出臺情況，心柱片也采取拼接方式，二級接縫，兩片一疊，每級步長30，不開定位孔(如圖3所示)。

圖2 心柱拼接三級步進接縫 圖3 心柱出臺拼接二級步進接縫

(二)疊片次序

鐵心疊積圖中疊片次序：上軛疊片次序從左至右：八字片—魚頭片，下軛疊片次序從左至右：魚頭片—八字片。如上述疊片次序造成片型增多可改變其次序，否則均要按要求執(zhí)行。

三、鐵心的空載性能

變壓器的空載性能包括空載損耗和空載電流，計算空載損耗時常常忽略空載電流I0在一次線圈中產(chǎn)生的電阻損耗，因此空載損耗就是鐵心損耗，鐵心的空載損耗主要由鐵心片中的磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗組成。

(一)磁滯損耗

鐵心中的磁滯損耗是鐵磁材料在反復交變磁化過程中由于磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的損耗，磁滯回線的面積愈小、磁滯損耗也就愈小，磁滯損耗與硅鋼片內(nèi)部的結晶方位、結晶純度、內(nèi)部晶粒的畸變等因素都有關系。

(二)渦流損耗

由于鐵心本身為金屬導體，所以由于電磁感應現(xiàn)象所感生的電勢將在鐵心內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，即渦流。由于鐵心中有渦流流過，而鐵心本身又存在電阻，故引起了渦流損耗。

(三)附加損耗的大小主要由以下幾個因素決定：

①材質(zhì)特性：如硅鋼片的方向特性，熱軋的無晶粒取向的硅鋼片磁導率比冷軋的有晶粒取向的硅鋼片低、鐵心損耗高，因此現(xiàn)在普遍采用冷軋的有晶粒取向的硅鋼片作為變壓器鐵心的導磁材料。

②絕緣膜的特性，冷軋取向磁性鋼片的表面有兩層膜，這兩層膜在高溫下燒結冷卻時，因熱膨脹率存在差別，產(chǎn)生的差值對鋼板施加張力，降低了鐵心損耗，因此在硅鋼片的剪切過程中不得摔打、彎折硅鋼片。

③設計結構：如心柱鐵軛是否沖孔，沖孔是為了鐵心定位用的，但同時增大了鐵心的空載損耗，因此設計鐵心片的定位孔時應該根據(jù)片寬來確定定位孔合理的直徑。

④工藝加工：如沖剪加工的尺寸精度和毛刺大小、毛刺過大會影響鐵心的局部放電，影響鐵心疊裝時的厚度控制，一般小于0.02mm。

四、降低變壓器空載損耗的方法

(一)改變每層疊片的數(shù)量，降低鐵心空載損耗

鐵心疊裝時，每層疊片的數(shù)量一般為1-3片。數(shù)量越多，接縫處氣隙的截面積越大，接縫處引起的磁通密度畸變也越大。由于磁通密度畸變，使接縫處硅鋼片磁通密度增大，引起空載損耗增加。

采用混合疊片的方法，既能降低鐵心空載損耗，又不增加多少工時。即鐵心總厚度的1/3的中心部分采用一片一疊，接下來的1/3部分采用兩片一疊，最靠外的1/3部分采用三片一疊，總的疊裝工作量并不增加多少，但可以取得降低鐵心空載損耗和空載電流的效果。

(二)減小鐵心搭接寬度，降低鐵心空載損耗

在鐵心疊片拐角處，心柱片與上下軛片接縫區(qū)搭接寬度的大小對變壓器空載性能有一定的影響。搭接面積大，磁通穿過的區(qū)域便相應增大，從而造成空載損耗增大。要降低鐵心空載損耗，必須研究在滿足機械強度的前提下，選擇空載損耗與機械強度都是最佳的搭接面積。

(三)采用階梯接縫降低鐵心空載損耗

對于階梯接縫的磁通分布，由于磁性硅鋼片的磁導率遠大于空氣，因此，在接縫處，磁通將通過鐵心片進入相鄰的疊片，而不穿過空氣隙，只有在相鄰的疊片飽和時，磁通才通過氣隙。這種接縫形式把疊片接縫左右方向錯開，以求最大限度地降低鐵心空載損耗。例如用五級單片疊和兩級兩片疊接縫位置比較。取10片片寬相同的硅鋼片進行疊片，采用五級接縫疊完10片時每個接縫處有兩片；采用兩級疊完10片時每個接縫處有5片。采用五級接縫大大改善了接縫處的橫截面積，接縫處的磁通密度大大降低，從而降低了空載損耗。

五、小結

本文簡要概述了鐵心的設計要點，鐵心是變壓器設計的基礎部分，對于硅鋼片的選用，目前選用比較多的是0.27mm及0.3mm的冷軋硅鋼片，從變壓器的空載損耗產(chǎn)生的原因到降低空載損耗的方法進行簡析，空載損耗是不隨負載而改變的恒定損耗，降低空載損耗是變壓器生產(chǎn)的主要任務之一，對節(jié)省運行中的能量損耗具有很大的意義。