浅谈长圆形铁芯油浸式变压器的优缺点

刘文娟

（广州骏发电气有限公司，广东广州 511400）

浅谈长圆形铁芯油浸式变压器的优缺点

刘文娟

（广州骏发电气有限公司，广东广州 511400）

为了降低油浸式变压器成本，节约变压器的铁芯、钢材及油的用量，建立长圆形截面铁芯的结构模型，通过分析实例对比圆形截面铁芯结构提供确切的节材数据，并结合变压器短路计算分析长圆形截面铁芯结构的优缺点。

长圆形铁芯；油浸式变压器；数学模型；成本；短路电动力

0 引言

近十几年来变压器从S9→S10→S11→S13→非晶合金变压器，不断升级，每升一级要求变压器的空载损耗下降百分之十几，同时变压器的价格在激烈的市场竞争下也要求不断压缩。为达到空载损耗的目标值可以采用低损耗的硅钢片或者是采用非晶合金，也可以通过增大铁芯截面积来降低磁通密度。为达到省材目的，可在变压器的结构上优化，以变压器铁芯结构为例，铁芯的截面又分了矩形截面、多级圆形截面、多级椭圆形截面及多级长圆形截面。目前广泛应用的是叠积式圆形截面[1-2]，而在一些小型变压器中采用长圆形截面的铁芯可使铁轭高度降低，从而降低整台变压器铁芯高度，节省硅钢片、油箱等钢材及变压器油的用量，降低空载损耗。而这种结构的铁芯到底可以节材多少？其对变压器整体电气机械等性能上有何影响？以下将通过实例来解答。

1 数学模型建立

长圆形截面的铁芯（如图1所示）是在圆形截面铁芯的基础上将主级厚度增加，从而增大铁芯截面积。由图1可看出，长圆形截面铁芯由两个半圆和一个矩形构成，图1中δ1为主级厚度，δi为第i级厚度，B1为主级片宽，Bi为第i级片宽；长圆形截面铁芯中半圆的半径R等于主级片宽B1，其余各级片宽及叠厚则类似圆形截面中各级的计算：

图1 长圆形截面的铁芯

注：先按半径R选定半圆部分级数和片宽，再根据上式计算出δi；主级厚δ1可根据实际计算截面积的需要进行调节。

铁芯截面积的计算同圆形截面铁芯的计算[3-4]：

式中：A为铁芯有效截面积， fd为迭片系数。

变压器线圈套在长圆形截面的铁芯上，则线圈的形状也必须是长圆形结构，在计算线圈导线匝长时应该按长圆形截面的总周长算，包括两段圆弧和两段直线部分：

L=2πR+2δ1，其中对应圆形截面的等效半径R'=L/(2 π)。

阻抗及散热面积的计算同《变压器设计手册》上圆形截面的计算，只是在计算绝缘半径时是按照长圆形周长等效的半径R'进行计算，在此不再赘述。

2 实例分析

基于上述数学模型，以一台10 kV级S11型500 kVA全密封油变为例，分析应用长圆形截面铁芯与圆形截面铁芯的性价比情况。

表1 两种铁芯结构的各级片宽及叠厚对比

在满足相同的损耗值、阻抗、温升限值；采用相同硅钢片牌号，一样的主绝缘距离情况下两者所用的材料对比如表2所示：

表2 两种铁芯结构的变压器所用材料对比

其中铜材价格65元/kg，硅钢片价格17元/ kg，钢材价格10元/kg，油价格10/kg

从上表可以看出应用长圆形截面的变压器可大大节省硅钢片用量、变压器总钢材用量及总油量，而线圈铜材用量相对圆形截面变压器的要稍多。总体上来讲，长圆形截面铁芯结构确实有较好的节材效果。

以上数据是在满足变压器相同性能参数的情况得到的分析结果，但采用这种长圆形截面铁芯结构也存在一些缺点，在变压器的动稳定性能上，长圆形截面的结构要差于圆形结构。

变压器在短路状态下，会产生强大的漏磁场，漏磁场与短路冲击电流相互作用，使线圈收到很大的短路电动力。短路电流下变压器的纵轴磁场使绕组产生辐向力，而横轴磁场使绕组产生轴向力[5-6]。轴向电动力使绕组向中间压缩，线匝相互挤压可能损坏匝绝缘；而辐向电动力使绕组扩张或压缩，可能失去稳定性而造成相间绝缘损坏。高压绕组处在外层，受轴向拉伸应力和辐向扩张应力；低压绕组处在内线柱，受轴向和辐向压缩应力。

（1）对外绕组：横向电动力使导线受拉应力。拉应力过大，导线被拉长，绕组直径扩大，发生永久变形；导线匝绝缘同时也被拉长以致匝绝缘破裂，形成匝间短路，引起弧光将绕组烧坏。

（2）对内绕组：横向电动力使导线受压应力。内绕组内壁是由撑条支撑的，压应力过大，两撑条间导线作为受压力的梁弯曲过大，而发生永久变形。

以最不利的三相对称出口短路情况分析绕组的所受的电动力情况，并认为短路发生在端电压经过零值的瞬间。当短路电抗Xd远大于短路等效电阻Rd时，短路电流为：

Ld—变压器短路漏电感，

Idv—稳态短路电流有效值，

U—变压器绕组端电压有效值；

Zd—变压器短路阻抗。

由此求得导线的短路电磁力（轴向或辐向）之值：

B0—与短路电流稳态值对应的磁密值；

R—导线环的等效半径。

从上面式中可看出，短路电流和磁密一定的条件下，导线环也即是线圈的等效半径越大所受短路电动力也越大，而由表1中的对比数据可知，长圆形截面结构的等效半径要大于圆形截面结构的，则在同样的短路情况下其所承受的短路电动力也就更大。另外，由图2可看出长圆形结构在其直线段部分因导线张力不够绕制时直线部分相对圆弧部分要松散，在承受短路冲击电动力时线圈更容易产生位移松散变形，从而导致变压器绝缘距离改变，最终使变压器发生故障。

图2是长圆形结构绕组在突发短路情况下各线圈所承受辐向电动力的示意图。

图2 各线圈所受短路电动力分析图

3 结束语

从节材上来看，采用长圆形截面的铁芯结构确实具有不错的效果。因此，目前长圆形截面的铁芯正广泛地应用于中小型油浸式变压器的设计中，并且也在逐步地运用到干式变压器上。而在采用新结构时，也不得不去面对它存在的一些弊端，并通过提高工艺水平，采取必要的防护措施来尽量降低这些弊端可能给变压器运行带来的危害。

［1］王宝珊.变压器设计手册［M］.沈阳：沈阳出版社，2009.

［2］尹克宁.变压器设计原理［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［3］变压器杂志编辑委员会.变压器技术大全·上卷［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.

［4］变压器制造技术丛书编审委员会.变压器铁芯制造工艺［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［5］张扬，马成廉.变压器承受短路能力的分析计算［A］.中国电机工程学会第十届青年学术会议［C］.吉林，2008.

［6］王春玲，富强.电力变压器线圈短路力计算与分析［J］.沈阳工程学院学报：自然科学版，2006（4）：137.

Discussion of the Pros and Cons of the Oblong Core Oil-Immersed Transformer

LIU Wen-juan
（Guangzhou Junfa Electric Co.，Ltd，Guangzhou 511400，China）

In order to reduce the costs of oil-immersed transformer，and saving Silicon core material，steel and oil，we establish the oblong core structure model.By calculating the example in contrast with circular core structure transformer，we get precise data that how much the oblong core transformer can save.Then，via analyzing the short-circuit electromagnetic force of transformer，discuss the pros and cons of the oblong core transformer.

oblong core；oil-immersed transformer；mathematical model；costs；short-circuit electromagnetic force

TM411

A

1009－9492(2014)03－0078－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.024

刘文娟，女，1987年生，江西樟树人，大学本科。研究领域：变压器设计与制造。

(编辑：向 飞)

2013－09－13