礦用變壓器鐵心優化設計

石振華，阮夫明

(許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000)

礦用變壓器鐵心優化設計

石振華，阮夫明

(許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000)

本文從礦用變壓器鐵心的結構型式和磁路系統分析方面進行研究，提出了降低礦用變壓器空載損耗的技術措施。

礦用變壓器；鐵心；空載損耗

1 概述

通過對礦用變壓器鐵心進行優化設計，可以有效節能，降低企業的生產成本。本文通過從礦用變壓器鐵心的結構型式和磁路系統分析方面進行研究，提出了若干降低礦用變壓器空載損耗的技術措施。

2 鐵心結構型式的選擇

變壓器的鐵心型式多種多樣，選擇合適的鐵心型式對于礦用變壓器來說，可以優化變壓器本體外形尺寸，能夠更好的適應煤礦井下的運輸使用環境。對于礦用變壓器來說，一般選用三相疊片式鐵心，也有個別廠家選用三相卷繞式鐵心，但其應用不夠廣泛。

礦用變壓器所采用的三相鐵心，其特點是整體為框形閉合結構，三個鐵心柱中的磁通量近似相同，相互間的相位差為120°，兩側的A相和C相磁路相同，稍長于中間的B相磁路，所以三相磁路不完全對稱，在這種三相三柱式鐵心中不能提供三次諧波磁通以及零序磁通的閉合回路。

此外，容量較大的礦用變壓器如果采用三相三柱式鐵心，其整體高度較高，這樣礦用變壓器的隔爆外殼就需要做的很大，一方面機加工不方便，另一方面在煤礦井下不方便運輸。

在本設計中選用三相五柱式的鐵心，與三柱式鐵心結構相比較，這種結構的鐵心鐵軛截面積可以選擇為鐵心柱截面積的至，鐵心的整體高度可以比三柱式降低將近一個最大片寬的高度。這樣采用三相五柱式鐵心，隔爆外殼的整體高度就可以降低，以更好的方便煤礦井下運輸運行。

3 礦用變壓器磁路系統分析

采用三相三柱式鐵心的礦用變壓器，A、B、C三相磁路系統相互關聯，當高壓繞組接在對稱三相交流電壓電網上時，高壓繞組內將相應流過對稱的三相激磁電流，在三相激磁電流的作用下將產生具有正弦波特點的三相主磁通φA、φB和φC。

需要指出的是三相三柱式的磁路系統是不完全對稱的，兩側的A相和C相磁路相同，稍長于中間的B相磁路，所以在三相主磁通φA、φB和φC相等的情況下，B相的勵磁電流比A相和C相的勵磁電流要小，形成了三相勵磁電流不對稱，但由于勵磁電流相對于額定電流而言所占比重極小，可以認為不對稱的勵磁電流對礦用變壓器實際運行不會產生太大的影響。

本設計采用三相五柱式的鐵心，它與三柱式鐵心相比，中間的三個鐵心柱上套有三相繞組，兩邊的旁軛沒有套繞組，相當于具有分支磁路，如圖1所示，鐵心兩側的旁軛是分支磁路的閉合通道，上下兩側稱為上軛和下軛。鐵軛上各段的磁通分別標示為φ1、φ2、φ3和φ4。

圖1 三相五柱式鐵心和磁通相量圖

4ABC

與三柱式鐵心結構相比較，五柱式鐵心鐵軛截面積可以選擇為鐵心柱截面積的，圖1(a)所繪制的陰影部分就可以去除，從而使得鐵心的整體高度由H1降低為H2。但是在鐵心總重量方面，五柱式要比三柱式稍重。

4 降低礦用變壓器空載損耗技術措施

我們知道，空載損耗是礦用變壓器的重要技術參數之一,其損耗值基本上是一個定值，它與變壓器運行的負荷大小沒有關系，主要與鐵心材料、結構和加工工藝有關，我們從空載損耗計算公式進行分析，為空載損耗附加系數，其值大小與制造工藝有關，為鐵心總質量，其值大小主要由設計決定，為鐵心材料單位質量損耗，單位為W/kg。

從上面公式分析，要降低空載損耗可以從三方面著手，主要是降低空載損耗附加系數、減少鐵心總質量和選用單位質量損耗低的鐵心材料。結合本設計，提出如下降低損耗的技術措施。

4.1 降低空載損耗附加系數方面

在疊片方式上，采用45°全斜接縫，步進式的階梯疊片方式，這樣可以有效改善鐵心轉角接縫處的磁密分布，減少旋轉磁通的產生。鐵心片采用不沖孔疊裝工藝，并提高疊片工藝系數。

在生產過程中，加強生產質量管理，對硅鋼片剪切線的刀具要經常檢驗，減少硅鋼片邊角毛刺，對疊裝過程、裝配過程的工藝工裝進行改良優化，定期檢驗。

在鐵心夾件結構及綁扎結構設計上，采用低導磁鋼板制作夾件，減少夾件中的渦流損耗等，采用無維玻璃絲粘帶對鐵心心柱和旁軛進行綁扎固定，防止鐵心產生滑片和鐵軛下沉造成局部損耗過大。對于鐵心的軛鐵，主要的綁扎結構為在夾件體上鉆斜孔并使用鋼拉帶進行綁扎或采用肢板結構進行固定，具體結構如圖2所示。

圖2 軛鐵采用夾件鉆斜孔的固定方式

4.2 減少鐵心總質量方面

對于10kV礦用變壓器，在不增加銅耗的前提下，我們通過縮小窗高和窗寬的方法來減少鐵重。我們選取高壓繞組到鐵軛的距離（繞組端部絕緣距離）H的大小為70mm，比一般工程書籍中介紹的理論值要小10～30mm，主要通過對夾件和繞組端部進行工藝處理，通過改善端部電場分布的方式來縮短絕緣距離。

對于窗寬值控制，主要是在繞組浸漆固化的前后，通過使用工裝對繞組外徑進行尺寸控制，減小制造工藝誤差，從而可以選擇較小的相間距離值，鐵心窗寬可以適當縮小。此外我們還將線圈繞組設計成長圓形，在繞組沿著相間方向設置較少的氣道。為了匹配繞組，也將鐵心的橫截面設計成長圓形，如圖3所示，圖中剖面部分為鐵心立柱橫截面，通過進一步縮小最大片寬（圖中標注為a尺寸即為最大片寬）、增加片級厚度（圖中標注為b尺寸）的方法，使得鐵心呈現長圓形，進而匹配同樣形狀的線圈繞組，這樣可以縮小鐵心窗寬。

圖3 鐵心橫截面為長圓形示意圖

4.3 選用單位質量損耗低的優質鐵心材料

鐵心材料有很多種，主要有硅鋼片和非晶合金等，鐵心材料越是優質，其單位質量損耗就越低，但其單位質量的價格也就越高。材料選擇不能盲目擇優，需要考慮成本因素等。即使不是特別優質的材料，如果磁密設計合理，選擇較低的磁密值，空載損耗也能降低，但其鐵心質量會增加，這就需要在同等技術要求的情況下，綜合考慮各種鐵心材料的價格、質量以及對銅耗的影響等因素。

5 結語

本文概述了鐵心常見的結構型式，選擇了三相五柱式鐵心作為礦用變壓器的鐵心，對礦用變壓器磁路系統進行分析，對五柱式鐵心的旁軛、上下鐵軛與心柱橫截面積的關系進行了介紹，重點對影響礦用變壓器空載損耗的有關因素進行分析，提出若干降低空載損耗的技術措施。

[1]尹克寧.變壓器設計原理[M].第1版.北京：中國電力出版社，2003.1-280.

[2]葛建奇、石振華、張慶生等.礦用變壓器鐵軛固定方式的探討[J].變壓器，2013，50(6)：20-22.

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