長圓形鐵心重量的計算方法

陳朋，孫業榮，陳飛，宋述兵，劉杰

（1．山東電工電氣集團智能電氣有限公司，山東濟南250022；2．山東電力設備有限公司，山東濟南250022）

長圓形鐵心重量的計算方法

陳朋1，孫業榮1，陳飛1，宋述兵2，劉杰2

（1．山東電工電氣集團智能電氣有限公司，山東濟南250022；2．山東電力設備有限公司，山東濟南250022）

介紹了一種長圓形鐵心重量的計算方法，通過VB編程實現了鐵心重量計算的參數化、自動化。

變壓器；鐵心；重量；VB

目前，我國中小型變壓器制造企業眾多，競爭激烈，為了降低設計成本，許多制造企業已經開始廣泛采用長圓形鐵心結構。長圓形鐵心（圖1所示），就是將傳統鐵心的多級圓形截面分為兩個半圓，中間增加一個矩形。與圓形鐵心相比，采用長圓形鐵心結構能減小中心距，降低鐵軛高度，從而減小鐵心的體積和重量，節省硅鋼片用量。同時，鐵心體積的減小有助于節省鋼材和變壓器油的用量，鐵心重量的減小有助于降低變壓器的空載損耗和空載電流，使電磁參數更易于滿足參考標準的要求，進而有利于設計出原材料更為節省的電磁計算單。經統計，S11系列長圓形鐵心配電變壓器與相同容量的傳統變壓器相比，可節約原材料成本5%～10%.

圖1　長圓形鐵心截面

傳統電力變壓器鐵心重量的計算方法是依據文獻［1］中提供的經驗公式，將心柱重量、鐵軛重量和角重三者求和，其中心柱和鐵軛重量可以通過計算求得，角重則需要通過查表得出，文獻［1］中提供了不同直徑對應的鐵心參數。然而，近年來隨著變壓器鐵心截面優化設計的不斷進步和鐵心制造工藝的需要，鐵心的直徑已不再局限于5的整數倍，而是任意整數，鐵心參數也不再拘泥于表中提供的數據，種類更加豐富。長圓形鐵心本身就比圓形鐵心多了一個矩形部分，并且在設計和制造過程中，為了便于結構設計或降低原材料成本，通常會采用低壓側鐵心去級、倒多級T形鐵軛截面等特殊結構。因此，采用傳統的方法計算長圓形鐵心的重量已經不適用，必須找出更加準確的計算方法。

本文提出了“逐級計算，然后累計”的計算方法，并且通過VB編程的方式實現了變壓器鐵心重量計算的參數化、自動化。

1　計算方法

變壓器鐵心由多級鐵心疊片疊積而成，要計算鐵心的重量，只需將所有單級鐵心疊片的重量累加求和即可；而要計算單級鐵心疊片的重量，則需先求出單級鐵心疊片的體積。圖2所示為單級鐵心疊片疊積而成的平面（以下簡稱“單級平面”），為了便于計算單級鐵心疊片的體積，需將每個單級平面分為5個部分，即2個鐵軛和3個心柱，并分別計算其面積。

圖2　鐵心的單級平面

單級平面的面積為：

式中：

pi為單級鐵心疊片的片寬；M0為中心距；Hi為單級平面中鐵軛間距，Hi=H0+p1-pi；H0為窗高。

單級鐵心疊片的體積為：

鐵心的體積為：

式中：

n為鐵心級數；α為單級鐵心疊片對應的數量（主級時α=1，其它α=2）；hi為單級鐵心疊片的疊厚。

綜上，鐵心的重量為：

式中：K為鐵心的疊片系數；ρ為硅鋼片密度。

上述即為長圓形鐵心按照常規結構設計時鐵心重量的計算方法，但是在實際生產應用過程中，變壓器設計者為便于結構設計或降低原材料成本，通常會采用一些特殊的鐵心結構，比如低壓側鐵心去級、倒多級T形鐵軛截面（如圖3所示）等結構。

圖3　上鐵軛截面

不同的疊積方式也會對鐵心重量產生影響。以下是對影響鐵心重量計算的幾種因素的分析。

1.1低壓側鐵心去級

低壓繞組采用箔繞方式的配電變壓器，在結構設計過程中通常會根據所選用銅排的厚度將低壓側鐵心去級。低壓側鐵心去級后，公式（3）中去級處的單級鐵心疊片對應的數量由2變為1，導致鐵心的體積和重量降低。

1.2倒多級T形鐵軛截面

為了便于計算該結構型式的鐵心重量，首先需引入落平級數和偏心距的概念。落平級數是指鐵軛中與主級疊片端面平齊的單級鐵心疊片的數量之和；偏心距是指單級鐵心疊片的中心線與主級鐵心疊片中心線的偏移尺寸。

當上、下鐵軛采用倒多級T形截面的結構型式時，鐵軛中鐵心疊片的片形不變，心柱的高度將會減小2個偏心距，即：

此時，單級平面的面積表達式為：

1.3疊積方式

目前，配電變壓器主要采用三級搭接接縫和五級搭接接縫兩種型式。分析單級鐵心疊片的片形可知，當采用不同級數搭接接縫的鐵心結構型式時，邊柱和鐵軛的片形不變，而中柱片形是不同的。

（1）若變壓器鐵心采用三級搭接接縫，則中柱片形有2種（如圖4所示）：單級鐵心疊片疊厚的為片形1，疊厚的為片形2.取步進量為5 mm并比較兩種片形的面積可知，片形2比片形1的面積小，用△表示面積差，△＝50 mm2.

圖4　鐵心中柱片形

此時，單級鐵心疊片體積的計算公式：

（2）若變壓器鐵心采用五級搭接接縫，則中柱片形為3種，3種片形在鐵心單級疊厚中所占比例分別為.同理，取步進量為4 mm，并比較三種片形的面積可知：△1＝32 mm2，△2＝128 mm2.

此時，單級鐵心疊片體積的計算公式：

2　計算機編程設計

本文所述的計算方法雖然準確、有效，但是工作量較大，不宜采用手工計算。為了克服這一不足，需借助于計算機編程。Visual Basic（VB）是目前開發Windows應用程序最為迅速、簡捷的程序設計語言，具有語法簡單、功能強大、易于掌握的特點，特別適用于配電變壓器優化設計和參數化繪圖軟件的開發。本文采用VB編程的方式開發了變壓器鐵心重量的計算程序，圖5所示為變壓器鐵心數據計算的程序界面。該程序通用化程度高，移植性強，可作為子程序直接應用于變壓器的優化設計和參數化繪圖軟件的設計之中。

圖5　程序界面

3　結束語

本文詳細敘述了一種新型的變壓器鐵心重量的計算方法，并通過VB編程的方式實現了變壓器鐵心重量計算的參數化、自動化。該方法只需計算每個單級鐵心疊片整體的體積和重量即可，無需對鐵心的逐個片形分別計算，大大簡化了計算過程，不僅可以用于長圓形鐵心重量的計算，而且對計算傳統結構型式的鐵心重量同樣適用。目前，優化設計和參數化繪圖已經成為變壓器行業內關注的焦點，文中所述的編程設計具有良好的通用性，可直接應用于變壓器優化設計和參數化繪圖軟件的開發過程之中。

［1］路長柏，郭振巖.電力變壓器理論與計算［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2007.

The Weight Calculation of the Elliptical Iron Core

CHEN Peng1，SUN Ye-rong1，CHEN Fei1，SONG Shu-bing2，XIE Jie2
（1.Shandong Electrical Engineering&Equipment Group Intelligent Electric Co.，Ltd.，
Jinan Shandong 250022，China；2.Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan Shandong 250022，China）

The weight calculation method of the elliptical iron core is introduced.Parametric and automatic of the calculating is realized by VB programming.

transformer；iron core；weight；VB

TM402

B

1672-545X（2016）08-0244-03

2016-05-12

陳朋（1987-），男，山東臨沂人，碩士研究生，工程師，主要從事變壓器的研發和設計工作。