淺談電力變壓器鐵心接縫型式對空載性能的影響

佐明 劉健嵩

摘要：影響變壓器空載性能的因素眾多，鐵心的接縫型式是其中重要的一項，本文淺述了變壓器鐵心接縫型式對空載損耗的影響，大致量化不同接縫型式對空載損耗的增益效果，為從事變壓器設計工作者提供一定的數據及理論參考。

關鍵詞：變壓器;接縫型式;鐵心;空載性能;空載損耗;

一、引言

變壓器的空載性能是變壓器的主要性能指標之一，直接關系著變壓器產品質量優劣，并間接影響著變壓器勵磁涌流和磁致噪聲。所以對變壓器鐵心空載性能的分析尤為重要。而影響變壓器的空載損耗的因素有很多，其中鐵心接縫型式是影響其空載性能的關鍵因素之一。

二、鐵心接縫型式

鐵心接縫按接縫型式與各廠制造工藝有關，不同制造廠為方便設計、制造有一套的片型、步進、定位原則。目前大部分廠家采用的是5級接縫型式。對于步長、定位方式各廠有一定的差別，以下舉例其中一種接縫原則：

（1）各級默認采用的是5級接縫型式一片一疊，每級步長10，所有片形均開定位孔，孔徑為Φ16。

（2）當心柱片寬較大時采取拼接方式，三級接縫，兩片一疊每級步長20，不開定位孔。

（3）對于大容量產品鐵心壓軛結構，當心柱切角出臺時，心柱硅鋼片也采取拼接方式，二級接縫兩片一疊每級步長30，不開定位孔。

（4）具有縱向鐵心油道的鐵心采用二級接縫，兩片一疊每級步長30，片子去尖出臺不開定位孔。

三、硅鋼片電氣與機械性質

不同接縫型式對空載性能的影響是由硅鋼片固有特性導致的，目前國內外變壓器鐵心通常采用低損耗高導磁率的冷軋硅鋼片，它具有以下特點：

（1）冷軋硅鋼片有明顯的方向性，即沿不同的磁通方向導磁時，硅鋼片有不同的損耗值。經試驗證明：垂直硅鋼片軋制方向導磁時比順向的損耗大三倍以上。

（2）同熱軋硅鋼片相比，冷軋硅鋼片的渦流損耗占的比例較大，這是由于冷軋硅鋼片的含硅量比熱軋硅鋼片低，從而降低了電阻系數的緣故。冷軋片的磁滯損耗與渦流損耗的比例大約為1：1，而熱軋片大約是4：1。

（3）冷軋片對機械應力十分敏感，即隨著機械應力的增加磁滯損耗和渦流損耗都要大幅度的增加。

不同的接縫型式可能導致鐵心中磁通的分布不均以及在接縫處產生繞行現象，這是鐵心損耗增大的主要因素。另外，不同的接縫型式對于鐵心加工程度有所不同，而硅鋼片的機械加工會導致硅鋼片硬化、鐵心片邊緣沖剪毛刺的搭接，也將導致鐵心空載性能變化。

根據多臺產品試驗數據和理論分析，得出的大致的關系如下：

1、鐵心的疊片接縫形式決定了硅鋼片的導磁方向和磁通行走路徑。對于大，中型變壓器來說，邊柱和中柱全部采用半直半斜接縫，要比直接縫的空載損耗下降10%～15%，空載電流下降30%～50%左右。若邊柱和中柱全部采用斜接縫，將比直接縫的空載損耗下降15%～25%，空載電流下降50%～100%。

2、為方便鐵心疊積鐵心片沖孔后，不僅局部減少了有效截面積，提高了磁通密度還會使磁通產生繞行現象，產生橫向磁通分量，渦流損耗和磁滯損耗都明顯增加。試驗已經指出：損耗的增量ΔP%與孔數n成正比關系，而與相對孔徑近似成平方關系增加。

在鐵心有孔的情況下，設鐵心片寬為1，孔的直徑是1的x倍，如上圖2所示的截面a處，有空部位的鐵心寬度為1-x，該部位的磁通密度為B/（1-x），其中B是沒有孔的部位的磁通密度，該部分的鐵心片重量是無孔部位的（1-x）倍。在磁通密度為1.6～1.7T范圍內，鐵心片中的損耗可按此式 計算，由上式可以得出，在磁通密度增加的部位的損耗近似增加了1/（1-2x）倍。

3、冷軋鋼硅片剪切邊緣由于變形和硬化，形成殘余的應力區域。被破壞了的晶格織構和排列，延伸到距離邊緣幾個毫米，增大了磁滯回線的面積，是磁滯損耗增加的來源。冷軋硅鋼片的質量越好，對硬化區越敏感。對目前采用的高導磁硅鋼片來說，它對機械應力十分敏感。機械應力增大，空載損耗則會明顯的增加。

4、硅鋼片沖剪毛刺，造成疊片搭接短路，相當于硅鋼片的厚度增加，同時降低了這疊片的填充系數，磁密上升，渦流損耗明顯增加。

四、對比產品分析

通過實際產品對比鐵心接縫對變壓器空載損耗影響，特選取兩臺對比產品，產品1以二級接縫為主，拼片13級，保留6級整料，拼片級采用二級接縫，每級步進30，非拼片級采用五級接縫，每級步進10。產品2以三級接縫為主，拼片12級，保留6級整料，拼片級采用三級接縫，每級步進20，非拼片級采用五級接縫，每級步進10。通過試驗對比分析：

可以看出，產品1與產品2鐵心結構差異點主要集中在拼片級鐵心接縫型式由三級接縫改為二級接縫，以及中柱拼片由魚頭片、八字片改為兩片八字片拼接上。

據空載損耗性能研究顯示，二級接縫屬于交錯式接縫其與三級臺階式接縫差距較大，對損耗有一定的提升，其中中柱拼片由魚頭片八字片改為兩片八字片無理論依據會導致空載損耗增加。

經計算可得對比產品鐵心1.7T磁密的前提下，如采用二級接縫，接縫處的磁通密度為2.4T。由于硅鋼片的磁通密度達到1.9T時已經飽和，使用有一部分磁通被迫通過接縫間隙，如此將導致空載損耗增大。如采用三級接縫，接縫處的磁通密度為1.8T，并未達到飽和磁密。

除此之外不同接縫型式對鐵心疊裝質量有一定的影響，二級接縫片間單縫離縫較大，疊片過程拼接數量多更難以保證質量，有可能導致空載損耗增加。

綜上所述，產品1空載損耗高于產品2，其有兩個原因，一是產品鐵心拼片級由原來的三級接縫改為了二級接縫，造成了空載損耗增加。二是鐵心接縫型式改變導致疊裝質量不高，進而導致鐵心薄厚不均，有可能個別處存在片間短路導致空載損耗整體增大。

五、結論

通過以上分析，試驗和估算結果表明，為提高變壓器鐵心中的空載性能，推薦采用全斜接縫無沖孔的接縫型式，并采用至少3級的接縫數量。由此可以減少磁通的垂直壓軋向分量，避免鐵心局部磁密升高，充分利用冷軋硅鋼片電磁性能的各向異性優點，從而降低損耗，提高鐵心質量指標。

參考文獻

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