變壓器結構設計與制造工藝探析

摘??要：變壓器是一種十分重要的電器設備，承載著變換電壓、變換電流、穩壓等多種功能。為了在實際使用中，讓變壓器更好的發揮作用，需要對結構設計和制造工藝進行更多的探析。本文正是基于這個角度，對變壓器的設計和制造進行了分析。

關鍵詞：變壓器;結構設計;制造工藝

1?研究背景

電能是人們日常生活中不能缺少的資源，現階段，經濟高速發展，人們關于生活質量方面的要求增多，科學技術更新換代速度加快，電能資源使用量也在逐年攀升。在這個過程中離不開變壓器發揮的巨大功能。變壓器的原理是電磁感應形成的變換交流電壓與電流，再進行進一步傳輸與交流電能，變壓器是一種以線圈為主要構造的電器設備，具體包括初級線圈、次級線圈和鐵芯，每個構件功能不同，都承擔著變壓器進行電壓與電流變化的功能，還具有支持變壓器正常運作的阻抗變換、隔離、穩壓（磁飽和變壓器）等功能，按照上述定義，常見的變壓器主要是電力變壓器、試驗變壓器、儀用變壓器及特殊用途的變壓器。電力變壓器是發電廠和變電所不可缺少的主要設備之一，通過它提高電壓輸送到用電區域，然后再降低成各種電壓送到最終用戶。試驗變壓器能產生高壓，對電氣設備進行高壓試驗。儀用變壓器包括了電壓互感器、繼電保護裝置、電流互感器和各種測量儀表。特種變壓器包括電爐變壓器、整流變壓器、電容式變壓器、調整變壓器、移相變壓器等。變壓器產業鏈中，其上游企業是生產等原材料的廠商，主要包括硅鋼片、銅材、變壓器油、樹脂。中游企業為變壓器制造商。電力變壓器行業下游企業主要為南方電網、電力公司、國家電網等。

2?變壓器結構設計

在電力運行過程中變壓器發揮著無法替代的作用。影響變壓器最終效能的因素很多，其結構也相對復雜，本文參考了相應的標準，對主要結構的設計進行了分析。

2.1硅鋼片

在變壓器中，對硅鋼性能的要求，一，影響硅片質量重要的指標就是鐵損低，牌號的劃分由各國根據鐵損的高低來決定。二，在較強磁場下，磁感應強度會升高，相應的減少電機和變壓器重量以及鐵心體積，從而可以使得硅鋼片、銅線和絕緣材料等用量減少，達到節約的功效。三是表面沒有凹凸不平的情況，并且平整和厚度均勻，這樣就可以增加鐵心的填充系數。四是沖片性好，這樣在實際的加工工藝上難度較低，便于實際生產操作。五是表面絕緣膜的附著性和焊接性良好，能防蝕和改善沖片性，降低磁滯損耗。

變壓器通常采用冷軋取向硅鋼片，以確保其空載的能效水平。通過冷軋取向硅鋼片的多樣性和性能復雜等特征可以將其分為普通的冷軋取向硅鋼片和傳導性很高的磁硅鋼片。除此之外，還存在一些激光刻痕的硅鋼片。通常情況下，在50Hz，800A交變磁場（峰值）下，區分普通硅鋼的條件是鐵心所達到強度以及最小值是否在B800A=1.78T～1.85T范圍內，所以綜上所述B800A=1.85T以上的硅鋼片則是高導磁硅鋼。“Hi-B鋼”為生產過程中的簡稱，Hi-B鋼其與常規硅鋼片的主要區別在于：Hi-B鋼的高斯方位織構度非常高，即在易磁化方向上的硅鋼晶粒排列位向整齊度非常高。Hi-B鋼有更高的磁導率，通常其B800A可達到1.88T以上，提高了高斯方位織構度以及磁導率可降低鐵損。激光刻痕硅鋼片則是在Hi-B鋼的基礎上，通過激光束照射技術，使其表面產生微小的應變，進一步磁軸細化，實現更低的鐵損。激光刻痕硅鋼片不能進行退火處理，因為提高溫度，則激光處理效果便會消失。不同牌號的硅鋼片其物理特性基本相當，密度基本都是7.65g/cm3。對于同種類硅鋼片而言，其性能質量主要區別還是在硅的含量以及生產過程的工藝影響。

2.2非晶合金鐵心

20世紀70年代開始普遍使用非晶合金材料，這是一種是新型合金材料，形成過程則是利用超急冷技術將液態金屬以106℃/S冷卻速度直接冷卻，并且利用國際先進的技術手段，將冷卻過后的液態金屬做成厚度只有0.02～0.03mm的固體薄帶。在其冷卻的過程當中，由于沒有進行結晶，則已經形成了固體，所以原子呈現不規則排列形態，導致晶體結構不呈現金屬特征，構成的元素是鐵（Fe）、碳（C）、鎳（Ni）、硅（Si）、鈷（Co）、硼（B）等，這些基本特征，使得其材料具備很多方面的優點，比如：由于其本身不存在晶體結構，導致其成為了各向同性的軟磁材料;磁化功率小，溫度可以非常容易的進行控制。由于非晶合金為無取向材料，所以其制作的工藝較為簡單，可以直接縫;其由于不存在結構的缺陷，沒有磁疇移動的障礙，磁滯損耗則大大降低;帶材的厚度是0.02～0.03㎜，非常薄。比較來看，是取向硅鋼片電阻率高3倍。非晶合金鐵心空載性能穩定，采用這種類型的變壓器可以使得空載電流下降50%以上，相較于傳統的變壓器而言節能效果顯著，于是，在國家倡導節能減排的現階段，這需要大力去運用此種類型的變壓器，自2012年開始國家電網和南方電網等則紛紛對這種類型的變壓器進行了采買，目前基本上非晶合金配變采購占比高達50%。

2.3電路材料

變壓器的核心部分是由繞組（線圈）構成與外接電網直接相連的電路，變壓器的內部電路通常是由導線繞制而成，導線（電磁線）按材質分為銅導線和鋁導線，按導線截面形狀又分為圓導線、扁導線（又可分為單根線、組合線和換位導線）、箔式導體等，導線與導線之間覆蓋不同類型的絕緣層，最終形成整體線圈。變壓器電路的主要導體材料為銅和鋁。銅和鋁均是導電性能較好的金屬材料，是制作變壓器線圈的常用導體。

銅鋁變壓器的差異也是由材料的差異決定的，具體表現在以下幾個方面：第一，銅導體的電阻率僅僅是鋁導體的60%左右，為了達到相同的損耗和溫升要求，所需使用的鋁導體截面積要較銅導體大60%以上，所以相同容量和相同參數情況下，鋁導體變壓器體積通常要較銅導體變壓器大，不過此時變壓器的散熱面積也有所增加，所以其溫升較低;第二，鋁的密度僅為銅的30%左右，所以鋁導體配電變壓器要較銅導體配電變壓器要輕;第三，鋁導體的熔點較銅導體低許多，所以其在短路電流的溫升限值為250℃，較銅導體的350℃低，所以其設計電密要較銅導體低，變壓器導線截面積要大，故體積也較銅導體變壓器大;第四，鋁導體硬度較低，故其表面毛刺較易消除，故制成變壓器后，其由于毛刺產生的匝間或層間短路的概率減少;第五，由于鋁導體的抗拉、抗壓強度較低，機械強度差，故鋁導體變壓器承受短路能力不如銅導體變壓器。

2.4絕緣材料

變壓器的穩定性和使用壽命的長短由絕緣材料決定，因而我們應該加大對絕緣材料分析的力度，其是一種電阻系數高導電能力低的物質。絕緣材料此功能主要是阻隔材料，在變壓器當中，使得電流按照既定路線進行流向。在一些變壓器的生產產品當中還起到了很多冷卻和散熱以及改善電位梯度、防潮、防霉和保護導體等作用。由于絕緣體材料的電阻系數通常情況下較高，在108～1020Ω·cm之間，所以其在正常的運作過程當中只有非常小的電流通過。

直流電流在遇到絕緣材料之后，則會形成非常大的阻力。因為本身的電阻率較高，則會導致其在真正的操作層面幾乎是不會導電的。但是交流電則情況不一樣，理論上一般也是不會導電的，但是，交流電流則有電容電流通過。我們可以從中看出，電阻越大，絕緣則越為徹底。

在變壓器當中，每一個絕緣材料使得其將導電部分彼此之間及導電部分對地（零電位）之間的絕緣隔離。用于各種支承件時，還應具有良好的力學性能。另外，絕緣材料還起到其它的作用，如散熱冷卻、固定、儲能、滅弧、改善電位梯度、防潮、防霉和保護導體等作用。

2.5材料結構和附件

在變壓器中，還有結構材料和附件，結構材料主要起到變壓器支承、磁路、電路加固、人員保護等功能，包括夾件、地基連接件、外殼等，其主要材料為Q235鋼材。變壓器附件主要起性能監測和保護功能，干變中包括溫控器、風機、互感器等，油變中包括氣體繼電器、溫控器、壓力釋放閥、分接開關等附件需求是由客戶提出的。

3?變壓器工藝分析

3.1工藝保證

高速繞線機繞制壓線圈，要對其采用機械張緊且張緊力恒定，使用先進的繞制工藝。壓線圈所對應的系統是實現無極規自動控制排線，排線非常緊密，記數采取自動化，較為準確;在真正的制作過程當中，我們對導線進行拉伸，讓每一個高壓線圈的導線都非常緊靠，與每一個節點的絕緣體之間，形成了沒有縫隙的連接。按照這一原理。低壓線圈也是如此，既可以保障高度不變，又可以保障其尺寸準確。

3.2鐵芯疊裝

在專用的安裝平臺上對鐵芯進行裝配，鐵芯的工裝需要利用特殊定位，并且疊碼鐵這一步驟必須使用不疊上鐵軛的工藝，在對設備主體部件進行組裝過程中，下夾件成為鐵芯夾碼后的主要部位，柱鐵加緊需要槽鋼和上夾件同時配合完成，并且如果要在空間輔夾柱鐵，必須利用C卡具，而且還要在移動存放區建設涂刷固定劑。干燥工藝完成之后，卡具中的鐵芯被轉入到器身裝配工序中。所以因為每個鐵芯都具有較強的粘和性，所以材料消耗很少。

3.3鐵芯裝配

由于鐵芯具有不帶鐵軛和具有復雜性等特點，鐵軛墊塊采用模注成型的環氧樹脂墊塊，高壓引線及分接引線的絕緣采用增強的PVC管穿套等特殊配套組合，通常我們在流水線的工作當中，可以將絕緣體和引線進行相互的裝配，使得工作效率提高的同時又能保證質量和生產安全。

4?結語

不可否認的是，變壓器對電網正常運行發揮著至關重要的作用，要保證其設計、制造與運行的穩定性。作為一種必不可少的電器設備，它的結構設計和工藝制造對它的實際功效都會產生不同程度的影響。也正因為如此，要不斷改進和優化設計，讓變壓器更好地適應時代需求，這是十分有必要的。

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作者簡介：張曄（1986—??），男，漢族，河北保定人，本科，工程師，研究方向：干式變壓器研發設計。