變壓器質量控制：鐵心、繞組、絕緣系統及油箱設計優化

關鍵詞：變壓器，鐵心，繞組，絕緣系統，油箱，制造工藝

0 引言

變壓器是電力傳輸和配電系統中必不可少的設備，它可以提高或降低交流電壓，并實現不同電壓系統之間的能量轉換[1-3]。隨著電力需求的不斷增長和電力系統的日益復雜，確保變壓器質量成為電力行業的關鍵挑戰[4- 6]。變壓器質量的控制涉及多個方面，包括鐵心、繞組、絕緣系統和油箱的設計和制造[7-9]。本文將全面探討這些關鍵組件，為變壓器質量控制提供全面的指導[10-11]。

1 鐵心設計與優化

1.1 鐵心構造

變壓器鐵心是磁通的載體，其主要功能是導磁和提供機械支撐。常見的鐵心結構有五柱鐵心和三柱鐵心。

1.1.1 三相五柱鐵心

三相五柱鐵心主要適用于大容量三相變壓器。這種結構可以降低變壓器的高度，從而降低運輸高度。它包括兩種結構：一種是旁柱和鐵軛截面積相等，為主柱截面積的一半；另一種是旁柱和鐵軛截面積分別為主柱的43%和53%。五柱鐵心結構可以減少鐵心的高度，但會增加硅鋼片用量和加工成本。采用步進搭接結構可以降低空載損耗和噪聲，但工藝復雜，疊裝工作量大。

1.1.2 三相三柱鐵心

三相三柱鐵心廣泛應用于中小容量變壓器。它具有結構簡單、工藝簡單的特點，但疊裝工作量較大。此外，由于鐵軛較大，當用于超大容量變壓器時，可能會出現較大的漏磁通，并導致變壓器高度超過運輸限制。STS鐵心（6搭接的三相三柱鐵心）空載損耗和噪聲較小，廣泛應用于油浸式變壓器。

1.1.3 單相三柱鐵心

單相三柱鐵心適用于單相大容量變壓器，其旁柱和鐵軛的截面積是主柱的一半。相比三相三柱鐵心，它具有結構簡單、適用于大容量變壓器的優點，但可能存在較大的漏磁通問題。單相三柱鐵心也被稱為“雙框鐵心”。

1.2 鐵心材料和結構優化

鐵心疊片通常采用冷軋高導磁晶粒取向硅鋼片，鐵心在工作時會產生損耗和過熱問題，因此需要選擇合適的鐵心材料和設計冷卻油道。鐵心及其金屬件由于電場位置不同，產生的電位也不同，需要接地防止擊穿放電。此外，接地時應確保一點接地，避免多點接地形成閉合環路，增加損耗和局部過熱。

2 繞組設計與優化

2.1 繞組構造

繞組是變壓器的核心部件，是電磁感應中的電通路。常見的導電材料包括銀、銅和鋁，其中銅材是目前變壓器常用的材料。繞組絕緣分為導線匝絕緣和線餅間絕緣[12-13]。

2.2 線圈型式

（1）層式線圈

層式線圈適用于小容量變壓器，其特點是導線逐層繞制，層與層之間絕緣良好。

（2）螺旋式線圈

螺旋式線圈由多根導線并聯疊繞而成，適用于調壓線圈、大電流的低壓線圈或特殊結構的高壓線圈。

（3）連續式線圈

連續式線圈由單根或多根導線并聯繞制而成，是典型的餅式線圈。

（4）糾結式線圈

糾結式線圈的線匝不按自然順序排列，具有良好的絕緣和散熱特性。

（5）插入電容連續式線圈

這種線圈在連續式線圈的進線端部分線段插入獨立的屏蔽線匝，以提高絕緣性能。

2.3 繞組結構優化

繞組結構的選擇取決于變壓器的具體要求，包括容量、電壓等級和電流大小。層式線圈適用于小容量變壓器，而螺旋式和連續式線圈適用于大電流和特殊結構的要求。糾結式和插入電容連續式線圈可以改善絕緣和散熱性能。在設計時，應考慮繞組的電氣強度、機械強度和絕緣距離，確保繞組的可靠性。

3 絕緣系統設計與優化

3.1 絕緣結構

變壓器器身絕緣是主絕緣，包括油-隔板絕緣和紙筒-油隙絕緣。油-隔板絕緣的耐電強度隨油隙體積減小而提高，因此角環的作用是將線圈端部和上鐵軛之間的油隙分割成多個小油隙，以提高耐電強度[14-15]。

3.2 絕緣材料

變壓器常用的絕緣材料包括絕緣油、絕緣紙和絕緣纖維板等。選擇合適的絕緣材料需要考慮電氣性能、機械性能和熱性能等指標。

3.3 絕緣系統優化

絕緣系統設計是變壓器設計的關鍵。除了選擇合適的絕緣材料外，還需要優化絕緣結構、控制電場分布、確保熱穩定性并考慮絕緣協調。

（1）絕緣結構優化

變壓器絕緣結構包括線圈繞組的匝間絕緣、線圈與線圈之間的絕緣和線圈與鐵心的絕緣。根據電壓等級、電流大小和環境條件設計合理的絕緣結構，確保絕緣可靠性。

（2）電場分布優化

采用合理的絕緣結構和電極形狀可以控制電場分布，避免局部電場過度集中導致絕緣擊穿。常用的方法包括使用電容式絕緣、增加絕緣距離和采用接地屏蔽等。

（3）熱穩定性考慮

變壓器運行時產生熱量，需要確保絕緣材料在運行溫度下保持良好的電氣性能和機械性能。因此，需要分析和設計絕緣系統的熱穩定性。

（4）絕緣協調

變壓器需要應對不同的過電壓類型，包括工頻、雷電和開關過電壓。絕緣系統設計需要考慮這些因素，確保變壓器在各種條件下都能可靠運行。

4 油箱設計與優化

4.1 油箱功能

油箱是變壓器的外殼，具有保護變壓器內部部件、盛裝變壓器油、傳遞應力、散熱和結構支撐的功能。

4.2 油箱結構

油箱結構包括鐘罩式和桶式兩種。鐘罩式油箱有利于器身下箱和引線的配置，方便二次安裝；桶式油箱有利于油箱的屏蔽布置和控制漏磁分布。大容量變壓器通常采用桶式油箱，小容量變壓器多采用鐘罩式油箱。

4.3 油箱設計要求

油箱設計需要滿足機械強度、密封性、熱傳導性、加工制造性和運輸性等要求。在設計時，應考慮靜態和動態負荷、真空度和壓力對油箱的影響，確保油箱能夠可靠地密封變壓器油并有效散熱。

4.4 油箱制造工藝

油箱制造工藝的優化包括材料選擇、加工工藝和質量控制。選擇合適的油箱材料，如鋼板、鋁板或復合材料，確保油箱的機械強度和耐腐蝕性。采用先進的加工工藝，如激光切割、焊接和表面處理技術，確保油箱的加工精度和表面質量。此外，還需要嚴格控制油箱的質量，包括尺寸精度、焊接質量和表面處理質量，以確保油箱滿足設計要求。

5 結語

確保變壓器質量是一個多方面的任務，涉及鐵心、繞組、絕緣系統和油箱的設計和制造優化。通過分析這些組件在變壓器中的作用和優化方法，本文提供了全面的指導，以幫助變壓器行業提升質量控制水平。鐵心結構和材料的選擇影響變壓器的損耗和過熱問題，繞組線圈型式和結構優化確保電氣和機械性能，絕緣系統設計和優化保證變壓器在不同條件下的可靠運行，油箱結構和制造工藝則影響變壓器的保護、散熱和結構支撐功能。變壓器質量控制需要全面考慮各組件的相互作用和對變壓器性能的影響，從而提升電力系統的穩定性和效率。