淺談電力變壓器鐵心接縫型式對(duì)空載性能的影響

佐明 劉健嵩

摘要：影響變壓器空載性能的因素眾多，鐵心的接縫型式是其中重要的一項(xiàng)，本文淺述了變壓器鐵心接縫型式對(duì)空載損耗的影響，大致量化不同接縫型式對(duì)空載損耗的增益效果，為從事變壓器設(shè)計(jì)工作者提供一定的數(shù)據(jù)及理論參考。

關(guān)鍵詞：變壓器;接縫型式;鐵心;空載性能;空載損耗;

一、引言

變壓器的空載性能是變壓器的主要性能指標(biāo)之一，直接關(guān)系著變壓器產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣，并間接影響著變壓器勵(lì)磁涌流和磁致噪聲。所以對(duì)變壓器鐵心空載性能的分析尤為重要。而影響變壓器的空載損耗的因素有很多，其中鐵心接縫型式是影響其空載性能的關(guān)鍵因素之一。

二、鐵心接縫型式

鐵心接縫按接縫型式與各廠制造工藝有關(guān)，不同制造廠為方便設(shè)計(jì)、制造有一套的片型、步進(jìn)、定位原則。目前大部分廠家采用的是5級(jí)接縫型式。對(duì)于步長(zhǎng)、定位方式各廠有一定的差別，以下舉例其中一種接縫原則：

（1）各級(jí)默認(rèn)采用的是5級(jí)接縫型式一片一疊，每級(jí)步長(zhǎng)10，所有片形均開(kāi)定位孔，孔徑為Φ16。

（2）當(dāng)心柱片寬較大時(shí)采取拼接方式，三級(jí)接縫，兩片一疊每級(jí)步長(zhǎng)20，不開(kāi)定位孔。

（3）對(duì)于大容量產(chǎn)品鐵心壓軛結(jié)構(gòu)，當(dāng)心柱切角出臺(tái)時(shí)，心柱硅鋼片也采取拼接方式，二級(jí)接縫兩片一疊每級(jí)步長(zhǎng)30，不開(kāi)定位孔。

（4）具有縱向鐵心油道的鐵心采用二級(jí)接縫，兩片一疊每級(jí)步長(zhǎng)30，片子去尖出臺(tái)不開(kāi)定位孔。

三、硅鋼片電氣與機(jī)械性質(zhì)

不同接縫型式對(duì)空載性能的影響是由硅鋼片固有特性導(dǎo)致的，目前國(guó)內(nèi)外變壓器鐵心通常采用低損耗高導(dǎo)磁率的冷軋硅鋼片，它具有以下特點(diǎn)：

（1）冷軋硅鋼片有明顯的方向性，即沿不同的磁通方向?qū)Т艜r(shí)，硅鋼片有不同的損耗值。經(jīng)試驗(yàn)證明：垂直硅鋼片軋制方向?qū)Т艜r(shí)比順向的損耗大三倍以上。

（2）同熱軋硅鋼片相比，冷軋硅鋼片的渦流損耗占的比例較大，這是由于冷軋硅鋼片的含硅量比熱軋硅鋼片低，從而降低了電阻系數(shù)的緣故。冷軋片的磁滯損耗與渦流損耗的比例大約為1：1，而熱軋片大約是4：1。

（3）冷軋片對(duì)機(jī)械應(yīng)力十分敏感，即隨著機(jī)械應(yīng)力的增加磁滯損耗和渦流損耗都要大幅度的增加。

不同的接縫型式可能導(dǎo)致鐵心中磁通的分布不均以及在接縫處產(chǎn)生繞行現(xiàn)象，這是鐵心損耗增大的主要因素。另外，不同的接縫型式對(duì)于鐵心加工程度有所不同，而硅鋼片的機(jī)械加工會(huì)導(dǎo)致硅鋼片硬化、鐵心片邊緣沖剪毛刺的搭接，也將導(dǎo)致鐵心空載性能變化。

根據(jù)多臺(tái)產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，得出的大致的關(guān)系如下：

1、鐵心的疊片接縫形式?jīng)Q定了硅鋼片的導(dǎo)磁方向和磁通行走路徑。對(duì)于大，中型變壓器來(lái)說(shuō)，邊柱和中柱全部采用半直半斜接縫，要比直接縫的空載損耗下降10%～15%，空載電流下降30%～50%左右。若邊柱和中柱全部采用斜接縫，將比直接縫的空載損耗下降15%～25%，空載電流下降50%～100%。

2、為方便鐵心疊積鐵心片沖孔后，不僅局部減少了有效截面積，提高了磁通密度還會(huì)使磁通產(chǎn)生繞行現(xiàn)象，產(chǎn)生橫向磁通分量，渦流損耗和磁滯損耗都明顯增加。試驗(yàn)已經(jīng)指出：損耗的增量ΔP%與孔數(shù)n成正比關(guān)系，而與相對(duì)孔徑近似成平方關(guān)系增加。

在鐵心有孔的情況下，設(shè)鐵心片寬為1，孔的直徑是1的x倍，如上圖2所示的截面a處，有空部位的鐵心寬度為1-x，該部位的磁通密度為B/（1-x），其中B是沒(méi)有孔的部位的磁通密度，該部分的鐵心片重量是無(wú)孔部位的（1-x）倍。在磁通密度為1.6～1.7T范圍內(nèi)，鐵心片中的損耗可按此式 計(jì)算，由上式可以得出，在磁通密度增加的部位的損耗近似增加了1/（1-2x）倍。

3、冷軋鋼硅片剪切邊緣由于變形和硬化，形成殘余的應(yīng)力區(qū)域。被破壞了的晶格織構(gòu)和排列，延伸到距離邊緣幾個(gè)毫米，增大了磁滯回線的面積，是磁滯損耗增加的來(lái)源。冷軋硅鋼片的質(zhì)量越好，對(duì)硬化區(qū)越敏感。對(duì)目前采用的高導(dǎo)磁硅鋼片來(lái)說(shuō)，它對(duì)機(jī)械應(yīng)力十分敏感。機(jī)械應(yīng)力增大，空載損耗則會(huì)明顯的增加。

4、硅鋼片沖剪毛刺，造成疊片搭接短路，相當(dāng)于硅鋼片的厚度增加，同時(shí)降低了這疊片的填充系數(shù)，磁密上升，渦流損耗明顯增加。

四、對(duì)比產(chǎn)品分析

通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品對(duì)比鐵心接縫對(duì)變壓器空載損耗影響，特選取兩臺(tái)對(duì)比產(chǎn)品，產(chǎn)品1以二級(jí)接縫為主，拼片13級(jí)，保留6級(jí)整料，拼片級(jí)采用二級(jí)接縫，每級(jí)步進(jìn)30，非拼片級(jí)采用五級(jí)接縫，每級(jí)步進(jìn)10。產(chǎn)品2以三級(jí)接縫為主，拼片12級(jí)，保留6級(jí)整料，拼片級(jí)采用三級(jí)接縫，每級(jí)步進(jìn)20，非拼片級(jí)采用五級(jí)接縫，每級(jí)步進(jìn)10。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析：

可以看出，產(chǎn)品1與產(chǎn)品2鐵心結(jié)構(gòu)差異點(diǎn)主要集中在拼片級(jí)鐵心接縫型式由三級(jí)接縫改為二級(jí)接縫，以及中柱拼片由魚(yú)頭片、八字片改為兩片八字片拼接上。

據(jù)空載損耗性能研究顯示，二級(jí)接縫屬于交錯(cuò)式接縫其與三級(jí)臺(tái)階式接縫差距較大，對(duì)損耗有一定的提升，其中中柱拼片由魚(yú)頭片八字片改為兩片八字片無(wú)理論依據(jù)會(huì)導(dǎo)致空載損耗增加。

經(jīng)計(jì)算可得對(duì)比產(chǎn)品鐵心1.7T磁密的前提下，如采用二級(jí)接縫，接縫處的磁通密度為2.4T。由于硅鋼片的磁通密度達(dá)到1.9T時(shí)已經(jīng)飽和，使用有一部分磁通被迫通過(guò)接縫間隙，如此將導(dǎo)致空載損耗增大。如采用三級(jí)接縫，接縫處的磁通密度為1.8T，并未達(dá)到飽和磁密。

除此之外不同接縫型式對(duì)鐵心疊裝質(zhì)量有一定的影響，二級(jí)接縫片間單縫離縫較大，疊片過(guò)程拼接數(shù)量多更難以保證質(zhì)量，有可能導(dǎo)致空載損耗增加。

綜上所述，產(chǎn)品1空載損耗高于產(chǎn)品2，其有兩個(gè)原因，一是產(chǎn)品鐵心拼片級(jí)由原來(lái)的三級(jí)接縫改為了二級(jí)接縫，造成了空載損耗增加。二是鐵心接縫型式改變導(dǎo)致疊裝質(zhì)量不高，進(jìn)而導(dǎo)致鐵心薄厚不均，有可能個(gè)別處存在片間短路導(dǎo)致空載損耗整體增大。

五、結(jié)論

通過(guò)以上分析，試驗(yàn)和估算結(jié)果表明，為提高變壓器鐵心中的空載性能，推薦采用全斜接縫無(wú)沖孔的接縫型式，并采用至少3級(jí)的接縫數(shù)量。由此可以減少磁通的垂直壓軋向分量，避免鐵心局部磁密升高，充分利用冷軋硅鋼片電磁性能的各向異性?xún)?yōu)點(diǎn)，從而降低損耗，提高鐵心質(zhì)量指標(biāo)。

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