非晶合金變壓器鐵心材料的安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉濤 ， 孫會(huì)杰 ， 齊家偉

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741018）

大部分配電變壓器長(zhǎng)期處于輕載或空載狀態(tài)，而配電網(wǎng)損耗的很大一部分來(lái)自于配電變壓器的空載損耗［1］。降低變壓器空載損耗可以提高變壓器設(shè)備的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。鐵心材料的特性決定了配電變壓器空載損耗的量級(jí)。隨著高性能鐵心材料的不斷開(kāi)發(fā)，配電變壓器的空載損耗也隨之進(jìn)一步降低。與硅鋼鐵心變壓器相比，非晶合金鐵心變壓器在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面具有很大的優(yōu)勢(shì)［2］。現(xiàn)如今采用非晶合金鐵心配電變壓器已成為了電網(wǎng)節(jié)能降耗之首選。

1 非晶合金變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)

非晶合金鐵心變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及客戶(hù)需求的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的材料、結(jié)構(gòu)，選取低損耗、優(yōu)化材料成本的適合方案，并將其應(yīng)用于生產(chǎn)資料中從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

本文對(duì)非晶合金變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，采用循環(huán)變數(shù)法，選取由目標(biāo)函數(shù)評(píng)估以得出最適配的設(shè)計(jì)方案。

1.1 目標(biāo)函數(shù)的選取

主要材料成本的目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：Gi為各部分的重量；Ji為各部分的單價(jià)。

1.1.1 設(shè)計(jì)變量

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中選取設(shè)計(jì)變量至關(guān)重要。設(shè)計(jì)變量的數(shù)量微微波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算量較大的變化。變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程涉及較多變量參數(shù)，相關(guān)關(guān)鍵變量彼此獨(dú)立，其余變量可為關(guān)鍵變量的函數(shù)。確定關(guān)鍵變量后，其他參數(shù)也隨之確定。根據(jù)非晶合金鐵心變壓器的特殊性，變量的選擇要有所不同。

（1）非晶合金變壓器鐵心直徑用非晶態(tài)合金鐵心重疊厚度代替。

（2）非晶合金鐵心的磁通密度由非晶合金鐵心變壓器低壓繞組的匝數(shù)決定。

（3）導(dǎo)線(xiàn)的選擇取決于電抗高度。非晶合金變壓器電抗無(wú)法直接計(jì)算，需要在線(xiàn)圈繞式和電壓等級(jí)選定的情況下用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行一定的估算。

（4）規(guī)格不同的導(dǎo)線(xiàn)，電流密度也不同，只有選定導(dǎo)線(xiàn)的規(guī)格后，才能確定電流密度。

各設(shè)計(jì)變量彼此獨(dú)立，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)變量大小選擇鐵心片重疊厚度、變壓器低壓繞組匝數(shù)、變壓器高低壓線(xiàn)圈規(guī)格以及變壓器主通道寬度。

1.1.2 限制條件

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

選取SBH-315型非晶合金鐵心變壓器作為研究對(duì)象，改選非晶合金鐵心變壓器鐵心質(zhì)量和線(xiàn)圈匝數(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算選取所需材料成本較低的方案。表1為SBH-315型非晶合金鐵心配電變壓器參數(shù)。

表1 SBH-315型非晶合金鐵心配電變壓器參數(shù)

表2為一家變壓器制造廠(chǎng)商一直延續(xù)的生產(chǎn)方案，這里主要材料成本是指鐵心價(jià)格、高壓繞組線(xiàn)圈成本、低壓繞組線(xiàn)圈成本。今日非晶合金鐵心市場(chǎng)均價(jià)為33元/kg，高低壓繞組線(xiàn)圈（無(wú)氧銅紙包線(xiàn)）市場(chǎng)均價(jià)為50元/kg。

表2 變壓器制造廠(chǎng)商傳統(tǒng)制造方案

表3為經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得出了四個(gè)較經(jīng)濟(jì)的方案對(duì)比。其中四種方案的主材料成本均比變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)商現(xiàn)有生產(chǎn)方案低1000元以上，由此可見(jiàn)采用循環(huán)變數(shù)法，選取由目標(biāo)函數(shù)評(píng)估以得出最適配的設(shè)計(jì)方案是成功可行的。經(jīng)過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，方案1是最優(yōu)方案。

表3 優(yōu)化方案對(duì)比結(jié)果

2 非晶合金變壓器安裝工藝優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)安裝工藝

傳統(tǒng)的安裝方法“垂直裝配法”雖然在實(shí)際安裝工程中此工藝簡(jiǎn)便易行，但卻存在一些不容易發(fā)現(xiàn)的缺陷［3］，如果安裝過(guò)程不謹(jǐn)慎不但會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量失控，嚴(yán)重還會(huì)造成變壓器損壞，威脅人身安全。其主要缺陷為：

（1）在打開(kāi)鐵心和用紙板保護(hù)過(guò)程中，鐵心很容易受操作人員影響引起碰撞甚至折碎，從而變壓器的空載損耗增大，輸配電線(xiàn)路網(wǎng)損增加。

（2）在鐵心柱上纏繞過(guò)程中，由于繞組過(guò)重，鐵心被擠壓，造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，且工作時(shí)間長(zhǎng)，效率低。

（3）在變壓器繞組的上部進(jìn)行鐵心合閉對(duì)接，操作過(guò)程中鐵心所產(chǎn)生的大量破片和碎屑很容易直接散落到間隙當(dāng)中，操作人員容易出現(xiàn)盲點(diǎn)，并不容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)清理出來(lái)，導(dǎo)致經(jīng)常變壓器不耐壓，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量和合格品率。增加了輸電線(xiàn)路的負(fù)荷。

2.2 針對(duì)傳統(tǒng)安裝工藝調(diào)整優(yōu)化

針對(duì)上述傳統(tǒng)工藝的一些技術(shù)缺陷，我們?cè)诮?jīng)過(guò)傳統(tǒng)變壓器安裝技術(shù)基礎(chǔ)上多次嘗試進(jìn)行改良，我們參考了相關(guān)可行性方案，最終選定了變壓器裝配工藝的“平行推進(jìn)法”［4］。變壓器絕緣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變壓器絕緣結(jié)構(gòu)

本工藝過(guò)程主要是將扁平變壓器繞組固定在裝配臺(tái)上，然后將繞組鐵心推到繞組中與鐵心平行的位置，使得鐵心的對(duì)接區(qū)域不在繞組內(nèi)，鐵心組裝過(guò)程中產(chǎn)生的碎片不會(huì)直接落入變壓器中，有效地保證了繞組和變壓器的電氣性能和操作人員的安全。同時(shí)，在“平行推進(jìn)法”過(guò)程中，通過(guò)“吹、粘、護(hù)、緊、封”等措施，提高變壓器的一次合格率。

（1）吹：是指在鐵心組裝完成封裝后，用高壓氣流將變壓器清理一遍，把操作人員失誤產(chǎn)生的鐵心破片碎屑吹出來(lái)，也防止衣物中的夾雜灰塵落入變壓器間隙當(dāng)中。

（2）粘：是指在鐵心組裝完成封裝后，用特殊凝結(jié)劑涂抹在重合區(qū)域，方便將變壓器死角的破片粘住，這樣碎片就不易落入變壓器間隙中。

（3）護(hù)：利用環(huán)氧樹(shù)脂澆注半圓型鐵心保護(hù)槽，在鐵心平行移動(dòng)的過(guò)程中起避震保護(hù)作用，降低鐵心磨損，增加變壓器穩(wěn)定性。

（4）緊：縮減主絕緣結(jié)構(gòu)間距、絕緣繞組與上下軛部縱向距離。磁通密度降低，繞組線(xiàn)圈匝數(shù)減少，銅箔使用量下降。

（5）封：在鐵心組裝完成后，用絕緣電話(huà)紙將非晶合金鐵心覆蓋包裹，避免變壓器工作工程中鐵心產(chǎn)生的破片、碎屑落入變壓器油中，引起變壓器不耐壓。

采用新型變壓器鐵心安裝法，有效降低了鐵心損耗。變壓器空載損耗取值由1.13降為了1.09。由于變壓器空載損耗與空載系數(shù)成正比關(guān)系，間接證明了新型變壓器鐵心安裝法，銅箔使用量，降低變壓器空載損耗，減輕材料成本。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)SBH15-315/10變壓器鐵心質(zhì)量和線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，降低了主要生產(chǎn)材料的成本。選擇了四種更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方案，供變壓器設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家參考。另外，對(duì)變壓器的安裝工藝絕緣主結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕微地改變，減少了安裝過(guò)程中碰撞造成的鐵心損耗，提高了變壓器生產(chǎn)的良品率。