變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝探析

摘??要：變壓器是一種十分重要的電器設(shè)備，承載著變換電壓、變換電流、穩(wěn)壓等多種功能。為了在實(shí)際使用中，讓變壓器更好的發(fā)揮作用，需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝進(jìn)行更多的探析。本文正是基于這個(gè)角度，對變壓器的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行了分析。

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

1?研究背景

電能是人們?nèi)粘Ｉ钪胁荒苋鄙俚馁Y源，現(xiàn)階段，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們關(guān)于生活質(zhì)量方面的要求增多，科學(xué)技術(shù)更新?lián)Q代速度加快，電能資源使用量也在逐年攀升。在這個(gè)過程中離不開變壓器發(fā)揮的巨大功能。變壓器的原理是電磁感應(yīng)形成的變換交流電壓與電流，再進(jìn)行進(jìn)一步傳輸與交流電能，變壓器是一種以線圈為主要構(gòu)造的電器設(shè)備，具體包括初級線圈、次級線圈和鐵芯，每個(gè)構(gòu)件功能不同，都承擔(dān)著變壓器進(jìn)行電壓與電流變化的功能，還具有支持變壓器正常運(yùn)作的阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等功能，按照上述定義，常見的變壓器主要是電力變壓器、試驗(yàn)變壓器、儀用變壓器及特殊用途的變壓器。電力變壓器是發(fā)電廠和變電所不可缺少的主要設(shè)備之一，通過它提高電壓輸送到用電區(qū)域，然后再降低成各種電壓送到最終用戶。試驗(yàn)變壓器能產(chǎn)生高壓，對電氣設(shè)備進(jìn)行高壓試驗(yàn)。儀用變壓器包括了電壓互感器、繼電保護(hù)裝置、電流互感器和各種測量儀表。特種變壓器包括電爐變壓器、整流變壓器、電容式變壓器、調(diào)整變壓器、移相變壓器等。變壓器產(chǎn)業(yè)鏈中，其上游企業(yè)是生產(chǎn)等原材料的廠商，主要包括硅鋼片、銅材、變壓器油、樹脂。中游企業(yè)為變壓器制造商。電力變壓器行業(yè)下游企業(yè)主要為南方電網(wǎng)、電力公司、國家電網(wǎng)等。

2?變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電力運(yùn)行過程中變壓器發(fā)揮著無法替代的作用。影響變壓器最終效能的因素很多，其結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，本文參考了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，對主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

2.1硅鋼片

在變壓器中，對硅鋼性能的要求，一，影響硅片質(zhì)量重要的指標(biāo)就是鐵損低，牌號的劃分由各國根據(jù)鐵損的高低來決定。二，在較強(qiáng)磁場下，磁感應(yīng)強(qiáng)度會升高，相應(yīng)的減少電機(jī)和變壓器重量以及鐵心體積，從而可以使得硅鋼片、銅線和絕緣材料等用量減少，達(dá)到節(jié)約的功效。三是表面沒有凹凸不平的情況，并且平整和厚度均勻，這樣就可以增加鐵心的填充系數(shù)。四是沖片性好，這樣在實(shí)際的加工工藝上難度較低，便于實(shí)際生產(chǎn)操作。五是表面絕緣膜的附著性和焊接性良好，能防蝕和改善沖片性，降低磁滯損耗。

變壓器通常采用冷軋取向硅鋼片，以確保其空載的能效水平。通過冷軋取向硅鋼片的多樣性和性能復(fù)雜等特征可以將其分為普通的冷軋取向硅鋼片和傳導(dǎo)性很高的磁硅鋼片。除此之外，還存在一些激光刻痕的硅鋼片。通常情況下，在50Hz，800A交變磁場（峰值）下，區(qū)分普通硅鋼的條件是鐵心所達(dá)到強(qiáng)度以及最小值是否在B800A=1.78T～1.85T范圍內(nèi)，所以綜上所述B800A=1.85T以上的硅鋼片則是高導(dǎo)磁硅鋼?！癏i-B鋼”為生產(chǎn)過程中的簡稱，Hi-B鋼其與常規(guī)硅鋼片的主要區(qū)別在于：Hi-B鋼的高斯方位織構(gòu)度非常高，即在易磁化方向上的硅鋼晶粒排列位向整齊度非常高。Hi-B鋼有更高的磁導(dǎo)率，通常其B800A可達(dá)到1.88T以上，提高了高斯方位織構(gòu)度以及磁導(dǎo)率可降低鐵損。激光刻痕硅鋼片則是在Hi-B鋼的基礎(chǔ)上，通過激光束照射技術(shù)，使其表面產(chǎn)生微小的應(yīng)變，進(jìn)一步磁軸細(xì)化，實(shí)現(xiàn)更低的鐵損。激光刻痕硅鋼片不能進(jìn)行退火處理，因?yàn)樘岣邷囟?，則激光處理效果便會消失。不同牌號的硅鋼片其物理特性基本相當(dāng)，密度基本都是7.65g/cm3。對于同種類硅鋼片而言，其性能質(zhì)量主要區(qū)別還是在硅的含量以及生產(chǎn)過程的工藝影響。

2.2非晶合金鐵心

20世紀(jì)70年代開始普遍使用非晶合金材料，這是一種是新型合金材料，形成過程則是利用超急冷技術(shù)將液態(tài)金屬以106℃/S冷卻速度直接冷卻，并且利用國際先進(jìn)的技術(shù)手段，將冷卻過后的液態(tài)金屬做成厚度只有0.02～0.03mm的固體薄帶。在其冷卻的過程當(dāng)中，由于沒有進(jìn)行結(jié)晶，則已經(jīng)形成了固體，所以原子呈現(xiàn)不規(guī)則排列形態(tài)，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不呈現(xiàn)金屬特征，構(gòu)成的元素是鐵（Fe）、碳（C）、鎳（Ni）、硅（Si）、鈷（Co）、硼（B）等，這些基本特征，使得其材料具備很多方面的優(yōu)點(diǎn)，比如：由于其本身不存在晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其成為了各向同性的軟磁材料;磁化功率小，溫度可以非常容易的進(jìn)行控制。由于非晶合金為無取向材料，所以其制作的工藝較為簡單，可以直接縫;其由于不存在結(jié)構(gòu)的缺陷，沒有磁疇移動的障礙，磁滯損耗則大大降低;帶材的厚度是0.02～0.03㎜，非常薄。比較來看，是取向硅鋼片電阻率高3倍。非晶合金鐵心空載性能穩(wěn)定，采用這種類型的變壓器可以使得空載電流下降50%以上，相較于傳統(tǒng)的變壓器而言節(jié)能效果顯著，于是，在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排的現(xiàn)階段，這需要大力去運(yùn)用此種類型的變壓器，自2012年開始國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)等則紛紛對這種類型的變壓器進(jìn)行了采買，目前基本上非晶合金配變采購占比高達(dá)50%。

2.3電路材料

變壓器的核心部分是由繞組（線圈）構(gòu)成與外接電網(wǎng)直接相連的電路，變壓器的內(nèi)部電路通常是由導(dǎo)線繞制而成，導(dǎo)線（電磁線）按材質(zhì)分為銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線，按導(dǎo)線截面形狀又分為圓導(dǎo)線、扁導(dǎo)線（又可分為單根線、組合線和換位導(dǎo)線）、箔式導(dǎo)體等，導(dǎo)線與導(dǎo)線之間覆蓋不同類型的絕緣層，最終形成整體線圈。變壓器電路的主要導(dǎo)體材料為銅和鋁。銅和鋁均是導(dǎo)電性能較好的金屬材料，是制作變壓器線圈的常用導(dǎo)體。

銅鋁變壓器的差異也是由材料的差異決定的，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，銅導(dǎo)體的電阻率僅僅是鋁導(dǎo)體的60%左右，為了達(dá)到相同的損耗和溫升要求，所需使用的鋁導(dǎo)體截面積要較銅導(dǎo)體大60%以上，所以相同容量和相同參數(shù)情況下，鋁導(dǎo)體變壓器體積通常要較銅導(dǎo)體變壓器大，不過此時(shí)變壓器的散熱面積也有所增加，所以其溫升較低;第二，鋁的密度僅為銅的30%左右，所以鋁導(dǎo)體配電變壓器要較銅導(dǎo)體配電變壓器要輕;第三，鋁導(dǎo)體的熔點(diǎn)較銅導(dǎo)體低許多，所以其在短路電流的溫升限值為250℃，較銅導(dǎo)體的350℃低，所以其設(shè)計(jì)電密要較銅導(dǎo)體低，變壓器導(dǎo)線截面積要大，故體積也較銅導(dǎo)體變壓器大;第四，鋁導(dǎo)體硬度較低，故其表面毛刺較易消除，故制成變壓器后，其由于毛刺產(chǎn)生的匝間或?qū)娱g短路的概率減少;第五，由于鋁導(dǎo)體的抗拉、抗壓強(qiáng)度較低，機(jī)械強(qiáng)度差，故鋁導(dǎo)體變壓器承受短路能力不如銅導(dǎo)體變壓器。

2.4絕緣材料

變壓器的穩(wěn)定性和使用壽命的長短由絕緣材料決定，因而我們應(yīng)該加大對絕緣材料分析的力度，其是一種電阻系數(shù)高導(dǎo)電能力低的物質(zhì)。絕緣材料此功能主要是阻隔材料，在變壓器當(dāng)中，使得電流按照既定路線進(jìn)行流向。在一些變壓器的生產(chǎn)產(chǎn)品當(dāng)中還起到了很多冷卻和散熱以及改善電位梯度、防潮、防霉和保護(hù)導(dǎo)體等作用。由于絕緣體材料的電阻系數(shù)通常情況下較高，在108～1020Ω·cm之間，所以其在正常的運(yùn)作過程當(dāng)中只有非常小的電流通過。

直流電流在遇到絕緣材料之后，則會形成非常大的阻力。因?yàn)楸旧淼碾娮杪瘦^高，則會導(dǎo)致其在真正的操作層面幾乎是不會導(dǎo)電的。但是交流電則情況不一樣，理論上一般也是不會導(dǎo)電的，但是，交流電流則有電容電流通過。我們可以從中看出，電阻越大，絕緣則越為徹底。

在變壓器當(dāng)中，每一個(gè)絕緣材料使得其將導(dǎo)電部分彼此之間及導(dǎo)電部分對地（零電位）之間的絕緣隔離。用于各種支承件時(shí)，還應(yīng)具有良好的力學(xué)性能。另外，絕緣材料還起到其它的作用，如散熱冷卻、固定、儲能、滅弧、改善電位梯度、防潮、防霉和保護(hù)導(dǎo)體等作用。

2.5材料結(jié)構(gòu)和附件

在變壓器中，還有結(jié)構(gòu)材料和附件，結(jié)構(gòu)材料主要起到變壓器支承、磁路、電路加固、人員保護(hù)等功能，包括夾件、地基連接件、外殼等，其主要材料為Q235鋼材。變壓器附件主要起性能監(jiān)測和保護(hù)功能，干變中包括溫控器、風(fēng)機(jī)、互感器等，油變中包括氣體繼電器、溫控器、壓力釋放閥、分接開關(guān)等附件需求是由客戶提出的。

3?變壓器工藝分析

3.1工藝保證

高速繞線機(jī)繞制壓線圈，要對其采用機(jī)械張緊且張緊力恒定，使用先進(jìn)的繞制工藝。壓線圈所對應(yīng)的系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無極規(guī)自動控制排線，排線非常緊密，記數(shù)采取自動化，較為準(zhǔn)確;在真正的制作過程當(dāng)中，我們對導(dǎo)線進(jìn)行拉伸，讓每一個(gè)高壓線圈的導(dǎo)線都非常緊靠，與每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的絕緣體之間，形成了沒有縫隙的連接。按照這一原理。低壓線圈也是如此，既可以保障高度不變，又可以保障其尺寸準(zhǔn)確。

3.2鐵芯疊裝

在專用的安裝平臺上對鐵芯進(jìn)行裝配，鐵芯的工裝需要利用特殊定位，并且疊碼鐵這一步驟必須使用不疊上鐵軛的工藝，在對設(shè)備主體部件進(jìn)行組裝過程中，下夾件成為鐵芯夾碼后的主要部位，柱鐵加緊需要槽鋼和上夾件同時(shí)配合完成，并且如果要在空間輔夾柱鐵，必須利用C卡具，而且還要在移動存放區(qū)建設(shè)涂刷固定劑。干燥工藝完成之后，卡具中的鐵芯被轉(zhuǎn)入到器身裝配工序中。所以因?yàn)槊總€(gè)鐵芯都具有較強(qiáng)的粘和性，所以材料消耗很少。

3.3鐵芯裝配

由于鐵芯具有不帶鐵軛和具有復(fù)雜性等特點(diǎn)，鐵軛墊塊采用模注成型的環(huán)氧樹脂墊塊，高壓引線及分接引線的絕緣采用增強(qiáng)的PVC管穿套等特殊配套組合，通常我們在流水線的工作當(dāng)中，可以將絕緣體和引線進(jìn)行相互的裝配，使得工作效率提高的同時(shí)又能保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全。

4?結(jié)語

不可否認(rèn)的是，變壓器對電網(wǎng)正常運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，要保證其設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行的穩(wěn)定性。作為一種必不可少的電器設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制造對它的實(shí)際功效都會產(chǎn)生不同程度的影響。也正因?yàn)槿绱?，要不斷改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓變壓器更好地適應(yīng)時(shí)代需求，這是十分有必要的。

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作者簡介：張曄（1986—??），男，漢族，河北保定人，本科，工程師，研究方向：干式變壓器研發(fā)設(shè)計(jì)。