電力變壓器鐵心柱截面優化設計

陳 仲

山東泰開變壓器有限公司

電力變壓器鐵心柱截面優化設計

陳 仲

山東泰開變壓器有限公司

電力變壓器已廣泛應用于工農業生產中，在設計中很重要的一個環節就是鐵心柱的截面設計。 變壓器的心柱截面一般采用多級圓形截面，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。為達到此目的，一般有兩條途徑，其一是提高疊壓系數，其二是在給定直徑D 時，增加多級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化設計，以期能為以后的實際工作起到一定的借鑒作用。

電力變壓器；鐵心柱；截面；設計

1 鐵心柱截面優化設計概述

鐵心是變壓器的導磁部分，其對硅鋼片導磁材料的消耗相當大，對變壓器的圓形鐵心柱截面進行優化設計有利于提高鐵心導磁材料的利用率。鐵心截面優化設計的目的是為了在方案設計時選取合適的鐵心直徑參數，并方便地將磁通密度調整到合適的范圍。一般鐵心圓形截面設計是根據制定好的設計原則，預先設計出一組變壓器鐵心截面和各級尺寸寬厚，并制作成通用的參數表。在設計變壓器時，選定鐵心直徑后通過查詢鐵心參數表即可。這種直徑分檔設計方法操作起來非常方便，但磁密的調整幾乎不可能。為了減少磁密選擇的難度，提高變壓器鐵心材料利用率，鐵心直徑分檔應當更細些，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、復合形以及多邊形。關于這四種類型的鐵心柱截面的具體內容，筆者進行了具體闡述，具體內容如下。

2.1 階梯形心柱截面

事實上，目前常用的階梯形心柱截面的填充系數(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，故而在鐵心柱構造的過程中，相關單位較少的使用階梯形截面。

2.2 圓形、復合形截面

與階梯形心柱截面不同的是，圓形、復合形心柱截面的填充系數要高，一般達到0.98。但是，其在實際的使用過程中存在材料利用率低、料帶裁剪難度大、生產工時多等方面的缺憾，基于此，就使得這一類型的心柱截面在實際的生產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比圓形、復合形截面的要低，僅為0.945～0.955，但是該類型的多邊形心柱截面對于構成材料的利用率卻高達100%。不僅如此，由于多邊形心柱截面的料帶為梯形式樣，故而使得其在實際的裁剪作業過程中不會產生過多的余料，對于硅鋼片的利用率也較高。事實上，由于梯形料帶的裁剪方便，且對于材料的使用率較高，因而相關單位在進行裁剪工時為曲形料帶的一半以下。

3 變壓器鐵心柱截面的傳統設計方法

鐵心柱的截面設計是電力變壓器設計的一個重要環節。電力變壓器鐵心柱通常在圓形線圈內，為了充分利用線圈內圓形空間，鐵心柱截面被設計成上下軸對稱的多級階梯。設計中，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。當圓形線圈的直徑一定時，鐵心柱級數愈多，截面積愈大，變壓器的性能越好，但級數過多會造成硅鋼片的規格繁雜，制造工時增加，因此需要綜合考慮鐵心柱的利用系數和制造工藝問題。

設計大直徑多級鐵心柱的傳統方法一般采用作圖法，即在圖紙上經過反復核算，畫出較好的鐵心截面積設計方案，來確定鐵心直徑，鐵心直徑確定后，鐵心截面各級硅鈉片寬度和疊厚的尺寸就根據設計手冊唯一確定。鐵心柱直徑與級數的經驗對應關系如表 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數。

表1 鐵心柱截面級數的選擇

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

填充系數越大，說明鐵心設計的越合理。

4 變壓器鐵心柱截面優化設計

變壓器優化設計是在保證產品綜合性能的基礎上，參考相關國際標準和國內規范，結合用戶特殊需求，通過變壓器設計基本方法得出最優的變壓器產品，實現經濟效益和社會效益雙贏的目標。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點得到了快速推廣和應用，但還無法完全取代油浸式變壓器，特別是在農網中，油浸式變壓器還占據著很大比例，因此，文章主要對油浸式變壓器的優化設計進行分析，以便產生最廣泛的實踐指導意義，以促進油浸式變壓器在電力系統中整體效益的最大化。 特別是隨著城市化進程的加快，變壓器主要材料銅和硅鋼片價格不斷上漲，基于經濟效益考慮，急需從設計方面加以優化，這也是變壓器結構優化設計的主要出發點，在各方面性能達到規范要求和用戶需求的基礎上，實現變壓器節能節材目標。文章主要對變壓器鐵心柱截面、鐵心柱型式和鐵軛結構的優化設計進行分析，同時對變壓器繞組方面的材耗和總耗降低措施進行初步探討，對變壓器綜合設計水平的提高具有一定的借鑒價值。

5 結束語

總而言之，變壓器作為電力網絡中變電、輸電、配電的重要設備，其綜合性能、經濟成本、節能環保等直接關系著電力系統的經濟效益和社會效益。目前，隨著電力工業技術的不斷發展，變壓器設計水平、制造工藝有了很大幅度的提高，但從總體水平來看，與發達國家還存在著一定的差距，特別是在變壓器的設計方面，還不能滿足高性能、低成本、少能耗等要求，因此，有必要對變壓器優化設計進行研究，提高變壓器設計水平，保證電力系統的安全、穩定、持續運行。

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