淺談干式變壓器圓形鐵心與長圓形鐵心的優(yōu)缺點(diǎn)

賈子豪，常軍

（中鐵電氣工業(yè)有限公司保定鐵道變壓器分公司，河北 保定 071000）

在電力系統(tǒng)中，干式變壓器能起到調(diào)壓穩(wěn)壓、降低電能輸電損耗的作用，占據(jù)十分重要的一環(huán)。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在我國配電變壓器損耗占到了輸配電損耗的四成以上，而輸配電損耗又占到全國發(fā)電量的6.6%左右。隨著國家對節(jié)能環(huán)保的重視和市場競爭的不斷激化，變壓器損耗的要求隨之越來越高，變壓器成本也被壓縮得越來越低。目前，為了節(jié)約成本，絕大部分廠家已經(jīng)開始使用長圓形鐵心來替代圓形鐵心作為變壓器的安裝框架，同時，事實(shí)證明長圓形鐵心也是可以達(dá)到所需技術(shù)指標(biāo)的。為此，筆者對干式變壓器這兩種鐵心形式進(jìn)行了分析。

1 兩種鐵心形式

圓形鐵心和長圓形鐵心的區(qū)別在于，長圓形鐵心是在圓形鐵心的基礎(chǔ)上得來的，在計算時可以以圓形鐵心為基礎(chǔ)去反求合適的長圓形鐵心。圓形鐵心和長圓形鐵心型式如圖1和圖2所示。

圖1 圓形鐵心截面

圖2 長圓形鐵心截面

為了研究兩種鐵心的優(yōu)缺點(diǎn)，以某用戶要求的SCZ13-1000/10型變壓器為例，對兩種鐵心進(jìn)行了尺寸、成本分析，利用有限元軟件建立三維模型對兩種鐵心形式的干式變壓器漏磁進(jìn)行了仿真。

2 成本分析

技術(shù)要求：

損耗允許偏差：空載損耗、負(fù)載損耗允許偏差：+15%；總損耗允許偏差：+10%；短路電抗允許偏差：±10%。

根據(jù)技術(shù)要求，進(jìn)行電磁計算。電磁計算是變壓器設(shè)計中的重要步驟。變壓器的優(yōu)化電磁計算，可以降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品運(yùn)行性能，降低產(chǎn)品運(yùn)行損耗，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。主要技術(shù)參數(shù)為空載損耗、負(fù)載損耗、阻抗、溫升。電磁計算的主要作用是指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計（表1）。

額定容量 kVA 1000高壓kV 10分接范圍 % ±4×2.5%；低壓kV 10聯(lián)結(jié)組標(biāo)號 Dyn11空載損耗 W 1390負(fù)載損耗 WF（120℃） 7900空載電流 % 0.34阻抗電壓 % 6電壓組合

（1）圓形鐵心方案：鐵心為三相三柱，采用三級接縫。估算圓形鐵心直徑φ265，計算出鐵心各級片寬、片厚，最后確定圓鐵心幾何尺寸，見圖3。鐵心最大片寬取260mm，鐵心疊片厚度246mm，疊片系數(shù)0.96，此時鐵心心柱凈截面積為495.36cm2，硅鋼片采用27QG100。

圖3 圓形鐵心截面尺寸

（2）長圓形鐵心方案：鐵心為三相三柱，選取長圓形鐵心。確定長圓鐵心幾何尺寸，見圖4。鐵心最大片寬180mm，鐵心疊片厚度300mm，寬厚比0.633，疊片系數(shù)0.96，鐵心心柱凈截面積為494.976cm2。

圖4 長圓形鐵心截面尺寸

電磁計算完成后，對兩種方案的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了對比，見表2。

圓形鐵心 長圓形鐵心空載損耗(W) 1455 1450負(fù)載損耗(W) 8041 8048阻抗電壓(%) 6.0368 5.9889高壓溫升(K) 82.3 82.3低壓溫升(K) 82.8 82.4

通過分析（表3），發(fā)現(xiàn)在使用同一種型號硅鋼片、導(dǎo)線，且在空載損耗、負(fù)載損耗、溫升、阻抗電壓等技術(shù)指標(biāo)計算值近似相等的情況下，圓形鐵心方案中心距和銅鐵成本都要偏高一些，長圓形鐵心方案成本主要節(jié)省在硅鋼片中。

圓形鐵心 長圓形鐵心心柱截面(cm2) 495.36 494.976窗高(mm) 1130 1130中心距(mm) 605 530銅(kg) 1305 1303硅鋼片(kg) 2363 2230銅鐵成本（萬元） 15.04 14.69

3 短路力分析

變壓器運(yùn)行時，高低壓線圈都將處于強(qiáng)磁場之中，而當(dāng)線圈突然短路時，極大的沖擊電流將會使線圈受到巨大電磁力。電磁力的產(chǎn)生是線圈中短路沖擊電流與漏磁場相互作用的結(jié)果，過大的電磁力會對線圈造成損壞。為此，我們利用有限元分析法（以干式變壓器某一相低壓繞組為例），使用Ansys Maxwell電磁軟件對兩種方案在低壓側(cè)短路的情況下進(jìn)行了瞬態(tài)磁場仿真，場圖見圖5、圖6。

根據(jù)圖5和圖6顯示的結(jié)果，軸向漏磁分布主要集中于繞組中部，繞組兩端漏磁較小。究其原因，繞組端部導(dǎo)線受力發(fā)生彎曲變形致使漏磁變小，這也側(cè)面證實(shí)了繞組兩端所受短路力較大。

圖5 繞組漏磁分布（圓形鐵心）

圖6 繞組漏磁分布（長圓形鐵心）

根據(jù)導(dǎo)線短路電磁力公式（軸向或輻向）：

式中，B0為短路電流穩(wěn)態(tài)值對應(yīng)的磁密；R為電磁線等效半徑。

根據(jù)上式可以看出，在短路電流一定的情況下，短路力與漏磁密和電磁線等效半徑呈正相關(guān)。經(jīng)過計算，在上述兩種方案中，圓形鐵心低壓繞組等效半徑為209.5mm，長圓形鐵心低壓繞組等效半徑為215.927mm；而且，從圖6中仿真結(jié)果可知，圓形鐵心方案漏磁密是略小于長圓鐵心方案的，因此就干式變壓器的抗短路能力而言，圓形鐵心方案更優(yōu)越一些，但是長圓心鐵心也能很好的滿足用戶的要求。

4 結(jié)語

通過對兩種鐵心方案對比分析，可以確定的是，與傳統(tǒng)圓形鐵心相比，長圓形鐵心可以節(jié)省材料，在尺寸和成本等方面具有明顯優(yōu)勢，但抗短路能力較弱，也可以滿足用戶使用要求，而傳統(tǒng)圓形鐵心正好相反。

國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2020年發(fā)布了新標(biāo)準(zhǔn)GB 20052-2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》，并且已經(jīng)于2021年6月1日正式實(shí)施，這也標(biāo)志著干式變壓器損耗要求將越來越嚴(yán)格。那么為了降低成本，占領(lǐng)更多市場，可以預(yù)見，將會有越來越多的長圓形鐵心干式變壓器進(jìn)入市場，而同時只有不斷優(yōu)化產(chǎn)品工藝，盡可能消除弊端帶來的影響，才能使長圓形鐵心發(fā)揮最大的效能。