裴紅男/特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司

變壓器鐵心結(jié)構(gòu)研究

裴紅男/特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司

介紹了變壓器鐵心結(jié)構(gòu)分類、主要材料及各結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍及特點(diǎn)。

變壓器；鐵心；硅鋼片

一、前言

眾所周知，變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的，磁路是電能轉(zhuǎn)換媒介，變壓器鐵心是變壓器的磁路部分，主磁通的通道。變壓器鐵心由磁導(dǎo)率很高的冷扎硅鋼片制成。另外，鐵心還是變壓器的內(nèi)部骨架，其上套裝各個(gè)繞組，支持著引線、器身等部件。因此，變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響變壓器的電磁性能、機(jī)械強(qiáng)度、噪聲等性能。

變壓器鐵心從結(jié)構(gòu)型式上分，有殼式和心式；殼式一般是水平放置的，截面為矩形，每柱有兩個(gè)旁軛，鐵心包圍繞組。這種鐵心片型少，鐵心緊固方便，漏磁通有閉合回路，附加損耗小。但匹配的矩形繞組制造困難，短路時(shí)繞組易變形。心式一般是垂直放置的，截面為分級圓柱形，繞組包圍心柱。心式鐵心片型較多，綁扎和夾緊要求較高。但匹配的圓筒形繞組制造方便，短路時(shí)穩(wěn)定性好。目前，大多數(shù)變壓器采用心式結(jié)構(gòu)。心式鐵心主要包括單相二柱式、單相單柱旁軛式、單相二柱旁軛式、三相三柱式、三相五柱式五種結(jié)構(gòu)。

二、鐵心結(jié)構(gòu)介紹

1.單相變壓器雙柱鐵心。單相變壓器雙柱鐵心如圖1所示，各種結(jié)構(gòu)中最簡單的一種，在同一心柱套裝高、低壓繞組，或?qū)⒗@組分為兩部分，分別套裝在兩個(gè)鐵心柱。鐵心上套裝兩個(gè)繞組，則繞組可以方便地連接成串聯(lián)或并聯(lián)，一般用于單相變壓器及互感器。

2.單相變壓器三柱雙框鐵心。單相三柱雙框鐵心如圖2所示，鐵心中間柱分為兩個(gè)完全對稱的截面，兩個(gè)鐵心之間一般設(shè)有一個(gè)框間油道，冷卻效果好，并可有效地改善變壓器的空載特性。由于鐵軛截面積是鐵心柱面積的1／2，鐵軛高度比鐵心柱直徑小，可以降低運(yùn)輸高度，通常用于大容量單相變壓器及高壓試驗(yàn)變壓器等。此種結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)旁柱上套裝調(diào)壓繞組，對超高壓有載調(diào)壓變壓器的繞組和引線布置非常方便，經(jīng)常用于超高壓有載調(diào)壓變壓器、低電壓大電流變壓器，高壓試驗(yàn)變壓器等。

3.單相變壓器四柱鐵心。圖3是單相四柱鐵心（有兩個(gè)旁軛），兩個(gè)柱套裝兩個(gè)繞組，降低繞組的外徑，可低變壓器的運(yùn)輸高度，適用于高壓大容量的單相變壓器。

4.三相三柱式鐵心。三相三柱式是應(yīng)用最多的三相鐵心的一種，三相三柱式鐵心疊裝工藝簡單，單位重量小，即變壓器的損耗系數(shù)小。由于三相電流在同一平面內(nèi)，三相磁路的長度不等，三相的空載損耗不等，三相的空載電流也不對稱，但現(xiàn)代變壓器的空載損耗和空載電流相對于變壓器容量是很小的，對電網(wǎng)和運(yùn)行基本上沒有影響。

5.三相五柱式鐵心。這種鐵心在三個(gè)中間的鐵心柱上分別套裝A、B、C三相繞組，有三個(gè)心柱和兩個(gè)各有垂直與水平部分的鐵軛，三相五柱式鐵心適用于三相大容量變壓器及三相三繞組電壓互感器等。

三、變壓器鐵心材料的選取

目前，變壓器鐵心材料主要選用冷扎晶粒取向磁性硅鋼片，變壓器鐵心材料的好壞直接影響變壓器的性能優(yōu)劣。通常選取變壓器鐵磁材料主要根據(jù)以下幾點(diǎn)：

（1）、單位重量的鐵耗（W／K g）盡可能低，以節(jié)省能耗；

（2）、設(shè)計(jì)磁密高，磁化特性好，不易飽和；

（3）、加工容易，機(jī)械特性好；

（4）、電阻率高，盡量減小渦流損耗；

（5）、疊片系數(shù)高，以增加有效的導(dǎo)磁面積，相應(yīng)地降低損耗。通常疊片系數(shù)每提高1%，損耗可降低5%左右；

（6）、價(jià)格經(jīng)濟(jì)合理。

四、結(jié)論

變壓器鐵心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，不僅跟設(shè)計(jì)水平有關(guān)，還與材料和制造工藝有關(guān)。隨著科技發(fā)展，依靠制造薄硅鋼片以及激光輻射處理的硅鋼片可使高導(dǎo)磁硅鋼片的鐵損得以進(jìn)一步降低，尤其是激光處理片的性能更為優(yōu)越。目前，在一些發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)了非晶合金材料的鐵心材料，這種材料優(yōu)點(diǎn)是在各種條件下的鐵損值最低，但是價(jià)格昂貴，但是隨著日益發(fā)展的現(xiàn)代化，配電變壓器的數(shù)量急劇增多，但是負(fù)荷率降低的要求，這就使得非晶合金材料制成的變壓器被一些發(fā)達(dá)應(yīng)用的一個(gè)主要原因。

另外，研究表明鐵心鐵損的組成和機(jī)理是比較復(fù)雜的，不僅與材料的單位損耗有關(guān)，還與鐵心結(jié)構(gòu)形式，制造工藝等密切相關(guān)。愈是優(yōu)質(zhì)材料，愈是受結(jié)構(gòu)、工藝因素影響大。因此，在研究材料在各種條件下的損耗特性的同時(shí)，再配合研究鐵心的結(jié)構(gòu)方式和工藝，才是降低鐵損并使優(yōu)質(zhì)材料的性能得以充分利用的正確途徑。

［1］謝毓城.電力變壓器手冊.保定：保定天威電氣股份有限公司，2008.

［2］尹克寧.變壓器設(shè)計(jì)原理.北京：中國電力出版社，2008.

［3］新編變壓器實(shí)用技術(shù)問答.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

圖1 單相雙柱式鐵心

圖2 單相三柱雙框式鐵心

圖3 單相四柱式鐵心