矿用变压器铁心优化设计

石振华，阮夫明

(许继变压器有限公司，河南 许昌 461000)

矿用变压器铁心优化设计

石振华，阮夫明

(许继变压器有限公司，河南 许昌 461000)

本文从矿用变压器铁心的结构型式和磁路系统分析方面进行研究，提出了降低矿用变压器空载损耗的技术措施。

矿用变压器；铁心；空载损耗

1 概述

通过对矿用变压器铁心进行优化设计，可以有效节能，降低企业的生产成本。本文通过从矿用变压器铁心的结构型式和磁路系统分析方面进行研究，提出了若干降低矿用变压器空载损耗的技术措施。

2 铁心结构型式的选择

变压器的铁心型式多种多样，选择合适的铁心型式对于矿用变压器来说，可以优化变压器本体外形尺寸，能够更好的适应煤矿井下的运输使用环境。对于矿用变压器来说，一般选用三相叠片式铁心，也有个别厂家选用三相卷绕式铁心，但其应用不够广泛。

矿用变压器所采用的三相铁心，其特点是整体为框形闭合结构，三个铁心柱中的磁通量近似相同，相互间的相位差为120°，两侧的A相和C相磁路相同，稍长于中间的B相磁路，所以三相磁路不完全对称，在这种三相三柱式铁心中不能提供三次谐波磁通以及零序磁通的闭合回路。

此外，容量较大的矿用变压器如果采用三相三柱式铁心，其整体高度较高，这样矿用变压器的隔爆外壳就需要做的很大，一方面机加工不方便，另一方面在煤矿井下不方便运输。

在本设计中选用三相五柱式的铁心，与三柱式铁心结构相比较，这种结构的铁心铁轭截面积可以选择为铁心柱截面积的至，铁心的整体高度可以比三柱式降低将近一个最大片宽的高度。这样采用三相五柱式铁心，隔爆外壳的整体高度就可以降低，以更好的方便煤矿井下运输运行。

3 矿用变压器磁路系统分析

采用三相三柱式铁心的矿用变压器，A、B、C三相磁路系统相互关联，当高压绕组接在对称三相交流电压电网上时，高压绕组内将相应流过对称的三相激磁电流，在三相激磁电流的作用下将产生具有正弦波特点的三相主磁通φA、φB和φC。

需要指出的是三相三柱式的磁路系统是不完全对称的，两侧的A相和C相磁路相同，稍长于中间的B相磁路，所以在三相主磁通φA、φB和φC相等的情况下，B相的励磁电流比A相和C相的励磁电流要小，形成了三相励磁电流不对称，但由于励磁电流相对于额定电流而言所占比重极小，可以认为不对称的励磁电流对矿用变压器实际运行不会产生太大的影响。

本设计采用三相五柱式的铁心，它与三柱式铁心相比，中间的三个铁心柱上套有三相绕组，两边的旁轭没有套绕组，相当于具有分支磁路，如图1所示，铁心两侧的旁轭是分支磁路的闭合通道，上下两侧称为上轭和下轭。铁轭上各段的磁通分别标示为φ1、φ2、φ3和φ4。

图1 三相五柱式铁心和磁通相量图

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与三柱式铁心结构相比较，五柱式铁心铁轭截面积可以选择为铁心柱截面积的，图1(a)所绘制的阴影部分就可以去除，从而使得铁心的整体高度由H1降低为H2。但是在铁心总重量方面，五柱式要比三柱式稍重。

4 降低矿用变压器空载损耗技术措施

我们知道，空载损耗是矿用变压器的重要技术参数之一,其损耗值基本上是一个定值，它与变压器运行的负荷大小没有关系，主要与铁心材料、结构和加工工艺有关，我们从空载损耗计算公式进行分析，为空载损耗附加系数，其值大小与制造工艺有关，为铁心总质量，其值大小主要由设计决定，为铁心材料单位质量损耗，单位为W/kg。

从上面公式分析，要降低空载损耗可以从三方面着手，主要是降低空载损耗附加系数、减少铁心总质量和选用单位质量损耗低的铁心材料。结合本设计，提出如下降低损耗的技术措施。

4.1 降低空载损耗附加系数方面

在叠片方式上，采用45°全斜接缝，步进式的阶梯叠片方式，这样可以有效改善铁心转角接缝处的磁密分布，减少旋转磁通的产生。铁心片采用不冲孔叠装工艺，并提高叠片工艺系数。

在生产过程中，加强生产质量管理，对硅钢片剪切线的刀具要经常检验，减少硅钢片边角毛刺，对叠装过程、装配过程的工艺工装进行改良优化，定期检验。

在铁心夹件结构及绑扎结构设计上，采用低导磁钢板制作夹件，减少夹件中的涡流损耗等，采用无维玻璃丝粘带对铁心心柱和旁轭进行绑扎固定，防止铁心产生滑片和铁轭下沉造成局部损耗过大。对于铁心的轭铁，主要的绑扎结构为在夹件体上钻斜孔并使用钢拉带进行绑扎或采用肢板结构进行固定，具体结构如图2所示。

图2 轭铁采用夹件钻斜孔的固定方式

4.2 减少铁心总质量方面

对于10kV矿用变压器，在不增加铜耗的前提下，我们通过缩小窗高和窗宽的方法来减少铁重。我们选取高压绕组到铁轭的距离（绕组端部绝缘距离）H的大小为70mm，比一般工程书籍中介绍的理论值要小10～30mm，主要通过对夹件和绕组端部进行工艺处理，通过改善端部电场分布的方式来缩短绝缘距离。

对于窗宽值控制，主要是在绕组浸漆固化的前后，通过使用工装对绕组外径进行尺寸控制，减小制造工艺误差，从而可以选择较小的相间距离值，铁心窗宽可以适当缩小。此外我们还将线圈绕组设计成长圆形，在绕组沿着相间方向设置较少的气道。为了匹配绕组，也将铁心的横截面设计成长圆形，如图3所示，图中剖面部分为铁心立柱横截面，通过进一步缩小最大片宽（图中标注为a尺寸即为最大片宽）、增加片级厚度（图中标注为b尺寸）的方法，使得铁心呈现长圆形，进而匹配同样形状的线圈绕组，这样可以缩小铁心窗宽。

图3 铁心横截面为长圆形示意图

4.3 选用单位质量损耗低的优质铁心材料

铁心材料有很多种，主要有硅钢片和非晶合金等，铁心材料越是优质，其单位质量损耗就越低，但其单位质量的价格也就越高。材料选择不能盲目择优，需要考虑成本因素等。即使不是特别优质的材料，如果磁密设计合理，选择较低的磁密值，空载损耗也能降低，但其铁心质量会增加，这就需要在同等技术要求的情况下，综合考虑各种铁心材料的价格、质量以及对铜耗的影响等因素。

5 结语

本文概述了铁心常见的结构型式，选择了三相五柱式铁心作为矿用变压器的铁心，对矿用变压器磁路系统进行分析，对五柱式铁心的旁轭、上下铁轭与心柱横截面积的关系进行了介绍，重点对影响矿用变压器空载损耗的有关因素进行分析，提出若干降低空载损耗的技术措施。

[1]尹克宁.变压器设计原理[M].第1版.北京：中国电力出版社，2003.1-280.

[2]葛建奇、石振华、张庆生等.矿用变压器铁轭固定方式的探讨[J].变压器，2013，50(6)：20-22.

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