非晶合金变压器铁心材料的安装优化设计

刘涛 ， 孙会杰 ， 齐家伟

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃 天水 741018）

大部分配电变压器长期处于轻载或空载状态，而配电网损耗的很大一部分来自于配电变压器的空载损耗［1］。降低变压器空载损耗可以提高变压器设备的运营经济性。铁心材料的特性决定了配电变压器空载损耗的量级。随着高性能铁心材料的不断开发，配电变压器的空载损耗也随之进一步降低。与硅钢铁心变压器相比，非晶合金铁心变压器在经济和环保方面具有很大的优势［2］。现如今采用非晶合金铁心配电变压器已成为了电网节能降耗之首选。

1 非晶合金变压器优化设计

非晶合金铁心变压器优化设计是指在满足相关技术指标、国家标准以及客户需求的基础上，采用先进的材料、结构，选取低损耗、优化材料成本的适合方案，并将其应用于生产资料中从而实现经济效益最大化。

本文对非晶合金变压器进行优化设计研究，采用循环变数法，选取由目标函数评估以得出最适配的设计方案。

1.1 目标函数的选取

主要材料成本的目标函数如下：

式中：Gi为各部分的重量；Ji为各部分的单价。

1.1.1 设计变量

在优化设计过程中选取设计变量至关重要。设计变量的数量微微波动，就会导致运算量较大的变化。变压器的设计过程涉及较多变量参数，相关关键变量彼此独立，其余变量可为关键变量的函数。确定关键变量后，其他参数也随之确定。根据非晶合金铁心变压器的特殊性，变量的选择要有所不同。

（1）非晶合金变压器铁心直径用非晶态合金铁心重叠厚度代替。

（2）非晶合金铁心的磁通密度由非晶合金铁心变压器低压绕组的匝数决定。

（3）导线的选择取决于电抗高度。非晶合金变压器电抗无法直接计算，需要在线圈绕式和电压等级选定的情况下用经验公式进行一定的估算。

（4）规格不同的导线，电流密度也不同，只有选定导线的规格后，才能确定电流密度。

各设计变量彼此独立，设计时可根据变量大小选择铁心片重叠厚度、变压器低压绕组匝数、变压器高低压线圈规格以及变压器主通道宽度。

1.1.2 限制条件

1.2 优化设计结果

选取SBH-315型非晶合金铁心变压器作为研究对象，改选非晶合金铁心变压器铁心质量和线圈匝数，通过设计计算选取所需材料成本较低的方案。表1为SBH-315型非晶合金铁心配电变压器参数。

表1 SBH-315型非晶合金铁心配电变压器参数

表2为一家变压器制造厂商一直延续的生产方案，这里主要材料成本是指铁心价格、高压绕组线圈成本、低压绕组线圈成本。今日非晶合金铁心市场均价为33元/kg，高低压绕组线圈（无氧铜纸包线）市场均价为50元/kg。

表2 变压器制造厂商传统制造方案

表3为经过设计计算得出了四个较经济的方案对比。其中四种方案的主材料成本均比变压器生产厂商现有生产方案低1000元以上，由此可见采用循环变数法，选取由目标函数评估以得出最适配的设计方案是成功可行的。经过对比可见，方案1是最优方案。

表3 优化方案对比结果

2 非晶合金变压器安装工艺优化

2.1 传统安装工艺

传统的安装方法“垂直装配法”虽然在实际安装工程中此工艺简便易行，但却存在一些不容易发现的缺陷［3］，如果安装过程不谨慎不但会导致质量失控，严重还会造成变压器损坏，威胁人身安全。其主要缺陷为：

（1）在打开铁心和用纸板保护过程中，铁心很容易受操作人员影响引起碰撞甚至折碎，从而变压器的空载损耗增大，输配电线路网损增加。

（2）在铁心柱上缠绕过程中，由于绕组过重，铁心被挤压，造成不可逆转的损伤，且工作时间长，效率低。

（3）在变压器绕组的上部进行铁心合闭对接，操作过程中铁心所产生的大量破片和碎屑很容易直接散落到间隙当中，操作人员容易出现盲点，并不容易及时发现清理出来，导致经常变压器不耐压，降低了产品的质量和合格品率。增加了输电线路的负荷。

2.2 针对传统安装工艺调整优化

针对上述传统工艺的一些技术缺陷，我们在经过传统变压器安装技术基础上多次尝试进行改良，我们参考了相关可行性方案，最终选定了变压器装配工艺的“平行推进法”［4］。变压器绝缘结构如图1所示。

图1 变压器绝缘结构

本工艺过程主要是将扁平变压器绕组固定在装配台上，然后将绕组铁心推到绕组中与铁心平行的位置，使得铁心的对接区域不在绕组内，铁心组装过程中产生的碎片不会直接落入变压器中，有效地保证了绕组和变压器的电气性能和操作人员的安全。同时，在“平行推进法”过程中，通过“吹、粘、护、紧、封”等措施，提高变压器的一次合格率。

（1）吹：是指在铁心组装完成封装后，用高压气流将变压器清理一遍，把操作人员失误产生的铁心破片碎屑吹出来，也防止衣物中的夹杂灰尘落入变压器间隙当中。

（2）粘：是指在铁心组装完成封装后，用特殊凝结剂涂抹在重合区域，方便将变压器死角的破片粘住，这样碎片就不易落入变压器间隙中。

（3）护：利用环氧树脂浇注半圆型铁心保护槽，在铁心平行移动的过程中起避震保护作用，降低铁心磨损，增加变压器稳定性。

（4）紧：缩减主绝缘结构间距、绝缘绕组与上下轭部纵向距离。磁通密度降低，绕组线圈匝数减少，铜箔使用量下降。

（5）封：在铁心组装完成后，用绝缘电话纸将非晶合金铁心覆盖包裹，避免变压器工作工程中铁心产生的破片、碎屑落入变压器油中，引起变压器不耐压。

采用新型变压器铁心安装法，有效降低了铁心损耗。变压器空载损耗取值由1.13降为了1.09。由于变压器空载损耗与空载系数成正比关系，间接证明了新型变压器铁心安装法，铜箔使用量，降低变压器空载损耗，减轻材料成本。

3 结论

本文通过对SBH15-315/10变压器铁心质量和线圈结构的改进，降低了主要生产材料的成本。选择了四种更经济的生产方案，供变压器设备生产厂家参考。另外，对变压器的安装工艺绝缘主结构进行了轻微地改变，减少了安装过程中碰撞造成的铁心损耗，提高了变压器生产的良品率。