變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝分析

陳益興

摘 要：隨著我國城市化、工業(yè)化建設(shè)進程逐步加快，工業(yè)生產(chǎn)用電以及人們?nèi)粘Ｉ钣秒娦枨蟛粩嘣黾?，城市配電工程施工建設(shè)數(shù)量和規(guī)模日益擴大，城市變電器設(shè)備施工質(zhì)量安全問題受到了國家社會的廣泛重視。變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計普遍由電磁方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分構(gòu)成，一定要依據(jù)前期設(shè)計來明確電磁方案等相關(guān)數(shù)據(jù)，其設(shè)計的科學性和有效性直接決定著電力系統(tǒng)運行能力，因此，加強提高變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：變壓器;結(jié)構(gòu)設(shè)計;制造工藝

近年來，我國社會經(jīng)濟水平的不斷提高，我國城市基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展建設(shè)步伐逐步加快，城市配電網(wǎng)鋪設(shè)覆蓋規(guī)模不斷擴大，社會各類事業(yè)發(fā)展對電力系統(tǒng)變壓器數(shù)量和質(zhì)量的要求越來越高，大量變壓器的生產(chǎn)制造企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)。

1 ?變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性

眾所周知，變壓器是電力輸送不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)備，其設(shè)計優(yōu)劣和制造水平與電力傳輸?shù)陌踩?、高效性和?jīng)濟效益息息相關(guān)，可以說是變電站的核心所在，而對于變壓器來說，主要涉及電磁方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大部分，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計需要以電磁方案和主要數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，是變壓器設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果器身（鐵芯、繞組、絕緣、引線）、油箱、冷卻裝置、保護裝置、出線裝置等結(jié)構(gòu)或重要部分設(shè)計不科學、不合理，則會給變壓器多方面的參數(shù)和性能帶來不良影響，尤其是絕緣性能、負載損耗、運行效率等，嚴重時還會間接干擾電網(wǎng)的運行質(zhì)量。

2 ?變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

由于變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復雜，影響因素較多，故應(yīng)參考相關(guān)標準，基于合理的電磁方案和技術(shù)參數(shù)進行設(shè)計，充分考慮過電壓情況下的電氣強度，短路情況下的熱穩(wěn)定、動穩(wěn)定，分析材料市場供應(yīng)情況和材料成本，優(yōu)先選用標準件和通用件，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)加以改進和優(yōu)化。

2.1 鐵芯設(shè)計

鐵芯是變壓器最基本的構(gòu)成部件之一，變壓器的一次繞組和二次繞組均位于鐵芯上，為降低渦流損耗、改善磁路導磁系數(shù)，通常選用表面絕緣、0.3mm的硅鋼片制作而成，拉板和夾件選用高強度鋼板，一來簡化夾件結(jié)構(gòu)，二來節(jié)約鋼板材料，為確保鐵芯在夾緊狀態(tài)下均勻受力，往往會適當調(diào)整硅鋼片的夾緊面積，具體可以通過加寬鐵芯末級配以增設(shè)階梯木來實現(xiàn)，以此強化鐵芯框架的強度，為獲得更可靠的變壓器結(jié)構(gòu)提供保障。但值得注意的是，受硅鋼片和電磁線材料價格飆升的影響，若采用圓形截面作為鐵芯和繞組橫截面，雖然有助于節(jié)約材料成本，但會產(chǎn)生較多的鐵芯級數(shù)和縱向剪切片，容易發(fā)生積壓和增加絕緣油用量的情況;如果從結(jié)構(gòu)調(diào)整的角度出發(fā)，選用多級外接圓形鐵芯，可以大大降低鐵芯片形并實現(xiàn)片形共享，還可以根據(jù)實際需求和市場價格調(diào)整鐵芯截面和銅鐵消耗比例，但在一定程度上增加了制造加工的難度，因此需要立足實際選擇合適的鐵芯。

2.2 繞組設(shè)計

與鐵芯一樣，繞組也是變壓器的基本部件，只不過屬于電路部分，一般為絕緣紙包裹的銅線纏繞而成。一般情況下，繞組必須確保線圈繞制扎實緊密、線間無空隙，軸向上下壓緊力，通過自身強度的保證獲得足夠的抗短路能力，進而滿足變壓器三相短路狀況所產(chǎn)生的應(yīng)力。常見的繞組形式有：適用于低于10kV、電流大、匝數(shù)小的低壓線圈的螺旋式繞組，以及繞制簡單、具有可靠穩(wěn)定性的連續(xù)式繞組，但連續(xù)式繞組容易受到雷電的影響，通常借助糾結(jié)式繞制予以改善。

2.3 油箱設(shè)計

油箱是油浸式變壓器的外殼，上述提及的鐵芯和繞組均置于其中，常見類型包括適用于中小型變壓器的箱式油箱和適用于大型變壓器的鐘罩式變壓器，無論何種類型的變壓器，都應(yīng)具有足夠的強度和較低的漏油風險。概括地說，油箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)遵守盡量減少油箱與外界連接的密封面的基本原則，建議優(yōu)先考慮簡單可靠的桶式油箱，選擇雙面焊接法焊接所有的法蘭面，設(shè)計法蘭螺絲孔為盲孔，深度低于法蘭3～5mm，而法蘭孔設(shè)計為U形密封槽，盡量選用圓形截面的密封條等，上述要點尤其適用于采用平底結(jié)構(gòu)結(jié)合U型加強筋的大型變壓器桶式油箱設(shè)計。

2.4 引線裝配

在變壓器結(jié)構(gòu)引線設(shè)計過程中，通常需要考慮引線電纜的類型、線間距離和磁距離等因素，這是因為引線電流會形成一定的磁場，并在鐵芯、夾件、油箱等金屬構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗，導致變壓器損耗增加、金屬溫度升高，最終出現(xiàn)熱點問題，再者出于對放電擊穿的考慮，必須保證引線之間、導體之間保持合適的絕緣距離[3]。因此高壓引線中選用的三相調(diào)壓電纜需要盡可能地通過平行和緊靠減少引線占位，提高不同相線圈的空間利用效率，不過調(diào)壓線出線應(yīng)位于各相線圈之間。中低壓引線出線則應(yīng)處于同一側(cè)，同樣的三相電纜也要平行緊靠，并保證三相電阻平衡，為防止出現(xiàn)三相電阻不平衡問題，可適當調(diào)整引線截面積進行配平。

3 ?變壓器工藝制造分析

3.1 鐵芯的制造工藝

鐵芯具有有效轉(zhuǎn)化電能和次能量的重要作用，所以其制造工藝非常關(guān)鍵，制造工藝及其要點包括：首先是為了降低鐵芯運行噪音和空載損耗，可以基于進口的鐵芯橫剪線用于步進裁剪形成多級步進搭接，以降低接縫位置鐵芯的磁通密度，進而降低空載電流和空載損耗，而且該生產(chǎn)線可以獲得良好的裁剪精度和幾何尺寸，減少硅鋼片彎曲和受碰撞的風險;其次是為了進一步控制噪音，需要將H-H膠涂刷于芯柱表面粘接各片使鐵芯形成一個整體，即可降低機械噪音也可減少鐵芯片產(chǎn)生波浪變形，必要時還可以選用優(yōu)質(zhì)的低噪音風機;最后是為防止變壓器結(jié)構(gòu)中的鐵芯在運輸中發(fā)生移位，可在長軸方向、短軸方向和鐵芯上部分別增設(shè)位置合理、數(shù)量合適的反壓釘，通過鐵芯與油箱的一體化實現(xiàn)變壓器器身與油箱的可靠固定[4]。

3.2 繞組的制造工藝

繞組質(zhì)量決定著其抗短路能力，因此在利用立繞機張緊裝置對線圈進行繞制時配以拉緊裝置，不僅可以實現(xiàn)繞制系數(shù)的降低，還可以保證繞組徑向繞緊力滿足設(shè)計要求，提升自身強度減小裝配公差。同時為了改善局部放電，還應(yīng)采用撐條、墊塊等絕緣件結(jié)合倒角去毛處理操作加以實現(xiàn)，這樣的話，與線路接觸的所有絕緣件經(jīng)倒角去毛后使得器身清潔度提高，局部放電量有所減少。此外還有屏蔽式線圈和頭部包扎工藝和防塵工藝，其中通過屏蔽段數(shù)、屏蔽匝數(shù)、屏線跨接形式的確定以及電容分區(qū)的合理補償，可使線圈在雷電時受到的沖擊合理分布，提升對雷電的抗擊能力;而防塵工藝則指的是線圈車間防塵，主要是在大功率吸塵器、降塵測量儀、除濕空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)備儀器的作用下，保證車間清潔和線圈清潔，為打造零局放變壓器奠定重要基礎(chǔ)。

3.3 其他部件制造工藝

除了上述制造工藝，變壓器制造還涉及器身、引線裝配工藝，如為降低變壓器的發(fā)熱量，就必須對其溫升進行控制，而這需要借助磁屏蔽和電屏蔽工藝來實現(xiàn)，即將磁屏蔽裝置增設(shè)于油箱位置，為漏磁創(chuàng)造低磁阻通道，以此減少額外的損耗，以免漏磁引起金屬構(gòu)件發(fā)生局部過熱。再如在引線裝配中注意檢查其絕緣距離和靜電板位置，焊接可靠無虛焊且無尖角毛刺，引線兩面三刀段錐度必須屏蔽好、無斷裂、包扎好，爬電距離合理等，以此切實降低局放。

4 ?結(jié)語

不可否認，變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝日漸成熟，在具體實踐中創(chuàng)造了巨大價值，但依舊存在一定的不足和缺陷，需要及時改進和優(yōu)化。因此我們應(yīng)根據(jù)實際需求對變壓器進行適當?shù)恼{(diào)整，在此基礎(chǔ)上改進制造材料與工藝，進而生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)、高性能的變壓器。

參考文獻

[1] 馬江峰，許甜田，孟凡生，等.從運行維護角度淺談變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電工電氣，2018（7）：66-67，73.

[2] 趙鵬剛.主變壓器的工藝制造和質(zhì)量控制研究[J].自動化應(yīng)用，2018（1）：104-105.

[3] 韓秀龍.變壓器制造新材料與生產(chǎn)工藝研究論述[J].科技風，2017（7）：192.