油浸式立體卷鐵心變壓器的優化設計策略

溫慧玲

（山東玲瓏機電有限公司，山東 招遠 265400）

1 油浸式立體卷鐵心變壓器電磁優化的內容和理論依據

1.1 內容

立體卷鐵心是用三個一致的單餅緊密結合，在空間上能夠互相形成120°的夾角。根據我國有關部門對立體卷鐵心生產提出的要求，需要技術人員先確認變壓器的電、磁負荷以及幾種比較關鍵的尺寸，獲得基本數據之后還要計算性能數據等內容，尤其是立體卷鐵心各部位的溫度變化以及重量等，最終的設計工作也要嚴格按照計算得到的參數落實，簡而言之就是電磁計算是油浸式立體卷鐵心變壓器設計的基本條件。

以某油浸式立體卷鐵心變壓器的優化設計為例[1]，在電磁計算工作落實的過程中，技術人員認為鐵心設計是最關鍵的環節，且第一步就是要準確地測量結構尺寸等基本參數。油浸式立體卷鐵心變壓器與平面疊片的鐵心變壓器之間最明顯的差異就體現在鐵心部分的設計工作當中，技術人員需要通過不斷的設計優化促使鐵心柱截面越來越合理，這樣才能獲得較高的經濟效益[2]。

1.2 理論依據

1.2.1 公式

在油浸式立體卷鐵心變壓器的設計工作當中，電壓和電流的計算十分關鍵，而立體卷鐵心變壓器的高低繞組常見連接方式有星形和三角形兩種，其計算公式如下：

鐵心直徑需要估算，其公式如下：

關于油浸式立體卷鐵心變壓器的負載損耗計算，直流電阻的損耗計算公式如下：

且大部分的立體卷鐵心變壓器本身的容量都＜800KVA，使用負載損耗系數與直流電阻損耗相乘的方式對負載損耗進行計算，公式表示如下：

該公式當中的PK表示的是負載損耗，KPK表示的則是負載損耗系數。

1.2.2 短路抗阻

油浸式立體卷鐵心變壓器短路阻抗相關數值通過短路試驗就能夠測試出來，在應用階段通常是使用百分比表示。

在變壓器當中，短路阻抗是十分關鍵的項目，在設計階段需要技術人員掌握偏差范圍，并且嚴格控制才能達到良好的優化效果，在通常情況下，誤差會控制在±2.5%之內。

2 油浸式立體卷鐵心變壓器的優化設計策略

2.1 立體卷鐵心柱截面

目前常見的油浸式立體卷鐵心變壓器，立體卷鐵心柱截面的形狀比較多樣化，即梯形、圓形、復合型和多邊形幾中。其中梯形界面的填充系數一般是在0.89-0.9 之間，與多邊形截面相比較來講該值有明顯的降低。且梯形截面產生的磁阻以及體積也比多邊形的截面更大，因此設計人員很少使用此種截面設計。圓形和復合型的截面填充系數雖然比較高，能夠達到0.98，但實際上材料的利用率很低，與節約能源的原則相悖。

若使用多邊形截面，填充系數＞0.945，材料利用率100%，整個裁剪過程不會產生余料，裁剪也比較方便，因此在油浸式立體卷鐵心變壓器的立體卷鐵心柱設計當中，多邊形是最佳選擇。

2.2 多邊形心柱截面優化設計

鐵心柱本身的幾何面積和外接圓面積比，就是油浸式立體卷鐵心變壓器鐵心柱的填充系數。

油浸式立體卷鐵心變壓器立體卷鐵心柱截面，和傳統的鐵心柱的相關計算和優化方式不能通用，但優化目的相同，都是希望能夠通過設計，促使鐵心柱在基本工藝條件下，將有效截面積盡可能擴大。這樣一方面能夠達到節約材料的效果，另一方面也能合理控制成本。

具體的設計優化方式以某界面形狀為7 段多邊形的油浸式立體卷鐵心變壓器鐵心柱截面為例，與原本方案相比優化后的截面積更大，能夠有效降低設計成本，減少鐵心產生損耗的可能。

2.2.1 目標函數建立

油浸式立體卷鐵心變壓器鐵心柱的有效面積越大，則能夠節約的材料也就越多，能量損耗的降低也就相應地越明顯。針對這一基礎條件，技術人員需要控制的就是鐵心柱本身的有效截面積以及硅鋼片之間的厚度、間隙，這些參數都與實際工藝水平息息相關，若想直接計算難度比較大。在實際計算過程中，技術人員可以將鐵心柱的幾何截面積與經驗修正系數相乘，這樣就可以簡單地獲取油浸式立體卷鐵心變壓器鐵心柱的有效截面積，其計算公式如下：

2.2.2 約束條件建立

該案例當中的油浸式立體卷鐵心變壓器鐵心柱截面為7段，技術人員為促使卷繞的單餅鐵心能夠呈現半圓形的發展趨勢，需要選擇合適的點作為圓心，為簡化后續分析工作，還需要將幾段料帶的初始寬度以及方向都選取為水平方向。

2.2.3 油浸式立體卷鐵心變壓器立體卷鐵心參數設計計算實例

在立體卷鐵心的制造過程當中，比較完整的參數包含鐵心截面當中每段料帶的起始以及終止寬度、厚度和長度等，獲得鐵心完整參數之后，該設計人員在Excel 當中使用VBA 編程語言設計了相關程序，將鐵心直徑設為D，圓角半徑設為R，鐵心窗的高度設為B，將硅鋼片厚度設為δ，δ 是已知參數，由于工藝水平與材料種類相關，且不同的產家取值差異較大，因此實際生產需要有針對性的落實。常規狀態下，截面的修正系數取值范圍在0.95-0.97 之間，設截面的修正系數以及重量修正系數都是0.95，則油浸式立體卷鐵心變壓器立體卷鐵心的參數計算情況如表1 所示。

表1 立體卷鐵心參數計算

3 結語

綜上所述，立體卷鐵心變壓器與傳統的平面疊片鐵心變壓器相比較來講，立體卷鐵心變壓器在性能上的優勢更加明顯，且應用范圍也十分廣泛。綜合分析之后可以發現，這些優勢的主要來源都是由于卷繞的方式能夠有效降低鐵損耗的嚴重性，且鐵心柱的截面十分接近圓形，因此消耗的材料也較少。