陳 仲

山東泰開變壓器有限公司

電力變壓器鐵心柱截面優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 仲

山東泰開變壓器有限公司

電力變壓器已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是鐵心柱的截面設(shè)計(jì)。 變壓器的心柱截面一般采用多級(jí)圓形截面，為了提高心柱截面的利用率， 必須增大心柱的幾何截面與外接圓截面的比例。為達(dá)到此目的，一般有兩條途徑，其一是提高疊壓系數(shù)，其二是在給定直徑D 時(shí)，增加多級(jí)圓形截面的幾何面積。 基于此，本文將著重分析探討電力變壓器鐵心柱截面優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期能為以后的實(shí)際工作起到一定的借鑒作用。

電力變壓器；鐵心柱；截面；設(shè)計(jì)

1 鐵心柱截面優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

鐵心是變壓器的導(dǎo)磁部分，其對(duì)硅鋼片導(dǎo)磁材料的消耗相當(dāng)大，對(duì)變壓器的圓形鐵心柱截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有利于提高鐵心導(dǎo)磁材料的利用率。鐵心截面優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是為了在方案設(shè)計(jì)時(shí)選取合適的鐵心直徑參數(shù)，并方便地將磁通密度調(diào)整到合適的范圍。一般鐵心圓形截面設(shè)計(jì)是根據(jù)制定好的設(shè)計(jì)原則，預(yù)先設(shè)計(jì)出一組變壓器鐵心截面和各級(jí)尺寸寬厚，并制作成通用的參數(shù)表。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，選定鐵心直徑后通過查詢鐵心參數(shù)表即可。這種直徑分檔設(shè)計(jì)方法操作起來非常方便，但磁密的調(diào)整幾乎不可能。為了減少磁密選擇的難度，提高變壓器鐵心材料利用率，鐵心直徑分檔應(yīng)當(dāng)更細(xì)些，如以2mm或lmm為一檔，這種分檔方式使得鐵心截面積幅度變化減小。

2 常用的鐵心柱截面類型

目前，我國的電力單位在進(jìn)行立體卷鐵心變壓器建造的過程中，主要采用的鐵心柱截面主要有四種，分別是階梯形、圓形、復(fù)合形以及多邊形。關(guān)于這四種類型的鐵心柱截面的具體內(nèi)容，筆者進(jìn)行了具體闡述，具體內(nèi)容如下。

2.1 階梯形心柱截面

事實(shí)上，目前常用的階梯形心柱截面的填充系數(shù)(鐵心柱幾何面積與外接圓面積之比)只有0.89～0.9，與其他類型的截面相比，其值比較低。不僅如此，由于階梯形截面的磁阻以及都比其他的截面類型要大，故而在鐵心柱構(gòu)造的過程中，相關(guān)單位較少的使用階梯形截面。

2.2 圓形、復(fù)合形截面

與階梯形心柱截面不同的是，圓形、復(fù)合形心柱截面的填充系數(shù)要高，一般達(dá)到0.98。但是，其在實(shí)際的使用過程中存在材料利用率低、料帶裁剪難度大、生產(chǎn)工時(shí)多等方面的缺憾，基于此，就使得這一類型的心柱截面在實(shí)際的生產(chǎn)以及使用過程中都受到一定的阻礙。

2.3 多邊形心柱截面

雖然多邊形截面的填充系數(shù)比圓形、復(fù)合形截面的要低，僅為0.945～0.955，但是該類型的多邊形心柱截面對(duì)于構(gòu)成材料的利用率卻高達(dá)100%。不僅如此，由于多邊形心柱截面的料帶為梯形式樣，故而使得其在實(shí)際的裁剪作業(yè)過程中不會(huì)產(chǎn)生過多的余料，對(duì)于硅鋼片的利用率也較高。事實(shí)上，由于梯形料帶的裁剪方便，且對(duì)于材料的使用率較高，因而相關(guān)單位在進(jìn)行裁剪工時(shí)為曲形料帶的一半以下。

3 變壓器鐵心柱截面的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

鐵心柱的截面設(shè)計(jì)是電力變壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。電力變壓器鐵心柱通常在圓形線圈內(nèi)，為了充分利用線圈內(nèi)圓形空間，鐵心柱截面被設(shè)計(jì)成上下軸對(duì)稱的多級(jí)階梯。設(shè)計(jì)中，通過合理選擇各階梯矩形尺寸，力爭使鐵心柱截面幾何面積最大。當(dāng)圓形線圈的直徑一定時(shí)，鐵心柱級(jí)數(shù)愈多，截面積愈大，變壓器的性能越好，但級(jí)數(shù)過多會(huì)造成硅鋼片的規(guī)格繁雜，制造工時(shí)增加，因此需要綜合考慮鐵心柱的利用系數(shù)和制造工藝問題。

設(shè)計(jì)大直徑多級(jí)鐵心柱的傳統(tǒng)方法一般采用作圖法，即在圖紙上經(jīng)過反復(fù)核算，畫出較好的鐵心截面積設(shè)計(jì)方案，來確定鐵心直徑，鐵心直徑確定后，鐵心截面各級(jí)硅鈉片寬度和疊厚的尺寸就根據(jù)設(shè)計(jì)手冊唯一確定。鐵心柱直徑與級(jí)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 1 所示，通常是按照鐵心柱直徑所處的范圍來判斷鐵心柱的級(jí)數(shù)。

表1 鐵心柱截面級(jí)數(shù)的選擇

為了衡量電力變壓器鐵心柱截面填充系數(shù)，一般選擇填充系數(shù)為鐵心的實(shí)際幾何截面積(硅鋼片的橫截面積)與外接圓的面積的比值，具體的計(jì)算公式如公式(1)所示。

填充系數(shù)越大，說明鐵心設(shè)計(jì)的越合理。

4 變壓器鐵心柱截面優(yōu)化設(shè)計(jì)

變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證產(chǎn)品綜合性能的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)規(guī)范，結(jié)合用戶特殊需求，通過變壓器設(shè)計(jì)基本方法得出最優(yōu)的變壓器產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙贏的目標(biāo)。目前，按冷卻方式可將變壓器分為干式變壓器和油浸式變壓器兩種，雖然干式變壓器以諸多優(yōu)點(diǎn)得到了快速推廣和應(yīng)用，但還無法完全取代油浸式變壓器，特別是在農(nóng)網(wǎng)中，油浸式變壓器還占據(jù)著很大比例，因此，文章主要對(duì)油浸式變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以便產(chǎn)生最廣泛的實(shí)踐指導(dǎo)意義，以促進(jìn)油浸式變壓器在電力系統(tǒng)中整體效益的最大化。 特別是隨著城市化進(jìn)程的加快，變壓器主要材料銅和硅鋼片價(jià)格不斷上漲，基于經(jīng)濟(jì)效益考慮，急需從設(shè)計(jì)方面加以優(yōu)化，這也是變壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要出發(fā)點(diǎn)，在各方面性能達(dá)到規(guī)范要求和用戶需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)變壓器節(jié)能節(jié)材目標(biāo)。文章主要對(duì)變壓器鐵心柱截面、鐵心柱型式和鐵軛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)變壓器繞組方面的材耗和總耗降低措施進(jìn)行初步探討，對(duì)變壓器綜合設(shè)計(jì)水平的提高具有一定的借鑒價(jià)值。

5 結(jié)束語

總而言之，變壓器作為電力網(wǎng)絡(luò)中變電、輸電、配電的重要設(shè)備，其綜合性能、經(jīng)濟(jì)成本、節(jié)能環(huán)保等直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，隨著電力工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，變壓器設(shè)計(jì)水平、制造工藝有了很大幅度的提高，但從總體水平來看，與發(fā)達(dá)國家還存在著一定的差距，特別是在變壓器的設(shè)計(jì)方面，還不能滿足高性能、低成本、少能耗等要求，因此，有必要對(duì)變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提高變壓器設(shè)計(jì)水平，保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。

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