非晶合金變壓器鐵心材料的安裝優化設計

劉濤 ， 孫會杰 ， 齊家偉

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018；2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅 天水 741018）

大部分配電變壓器長期處于輕載或空載狀態，而配電網損耗的很大一部分來自于配電變壓器的空載損耗［1］。降低變壓器空載損耗可以提高變壓器設備的運營經濟性。鐵心材料的特性決定了配電變壓器空載損耗的量級。隨著高性能鐵心材料的不斷開發，配電變壓器的空載損耗也隨之進一步降低。與硅鋼鐵心變壓器相比，非晶合金鐵心變壓器在經濟和環保方面具有很大的優勢［2］。現如今采用非晶合金鐵心配電變壓器已成為了電網節能降耗之首選。

1 非晶合金變壓器優化設計

非晶合金鐵心變壓器優化設計是指在滿足相關技術指標、國家標準以及客戶需求的基礎上，采用先進的材料、結構，選取低損耗、優化材料成本的適合方案，并將其應用于生產資料中從而實現經濟效益最大化。

本文對非晶合金變壓器進行優化設計研究，采用循環變數法，選取由目標函數評估以得出最適配的設計方案。

1.1 目標函數的選取

主要材料成本的目標函數如下：

式中：Gi為各部分的重量；Ji為各部分的單價。

1.1.1 設計變量

在優化設計過程中選取設計變量至關重要。設計變量的數量微微波動，就會導致運算量較大的變化。變壓器的設計過程涉及較多變量參數，相關關鍵變量彼此獨立，其余變量可為關鍵變量的函數。確定關鍵變量后，其他參數也隨之確定。根據非晶合金鐵心變壓器的特殊性，變量的選擇要有所不同。

（1）非晶合金變壓器鐵心直徑用非晶態合金鐵心重疊厚度代替。

（2）非晶合金鐵心的磁通密度由非晶合金鐵心變壓器低壓繞組的匝數決定。

（3）導線的選擇取決于電抗高度。非晶合金變壓器電抗無法直接計算，需要在線圈繞式和電壓等級選定的情況下用經驗公式進行一定的估算。

（4）規格不同的導線，電流密度也不同，只有選定導線的規格后，才能確定電流密度。

各設計變量彼此獨立，設計時可根據變量大小選擇鐵心片重疊厚度、變壓器低壓繞組匝數、變壓器高低壓線圈規格以及變壓器主通道寬度。

1.1.2 限制條件

1.2 優化設計結果

選取SBH-315型非晶合金鐵心變壓器作為研究對象，改選非晶合金鐵心變壓器鐵心質量和線圈匝數，通過設計計算選取所需材料成本較低的方案。表1為SBH-315型非晶合金鐵心配電變壓器參數。

表1 SBH-315型非晶合金鐵心配電變壓器參數

表2為一家變壓器制造廠商一直延續的生產方案，這里主要材料成本是指鐵心價格、高壓繞組線圈成本、低壓繞組線圈成本。今日非晶合金鐵心市場均價為33元/kg，高低壓繞組線圈（無氧銅紙包線）市場均價為50元/kg。

表2 變壓器制造廠商傳統制造方案

表3為經過設計計算得出了四個較經濟的方案對比。其中四種方案的主材料成本均比變壓器生產廠商現有生產方案低1000元以上，由此可見采用循環變數法，選取由目標函數評估以得出最適配的設計方案是成功可行的。經過對比可見，方案1是最優方案。

表3 優化方案對比結果

2 非晶合金變壓器安裝工藝優化

2.1 傳統安裝工藝

傳統的安裝方法“垂直裝配法”雖然在實際安裝工程中此工藝簡便易行，但卻存在一些不容易發現的缺陷［3］，如果安裝過程不謹慎不但會導致質量失控，嚴重還會造成變壓器損壞，威脅人身安全。其主要缺陷為：

（1）在打開鐵心和用紙板保護過程中，鐵心很容易受操作人員影響引起碰撞甚至折碎，從而變壓器的空載損耗增大，輸配電線路網損增加。

（2）在鐵心柱上纏繞過程中，由于繞組過重，鐵心被擠壓，造成不可逆轉的損傷，且工作時間長，效率低。

（3）在變壓器繞組的上部進行鐵心合閉對接，操作過程中鐵心所產生的大量破片和碎屑很容易直接散落到間隙當中，操作人員容易出現盲點，并不容易及時發現清理出來，導致經常變壓器不耐壓，降低了產品的質量和合格品率。增加了輸電線路的負荷。

2.2 針對傳統安裝工藝調整優化

針對上述傳統工藝的一些技術缺陷，我們在經過傳統變壓器安裝技術基礎上多次嘗試進行改良，我們參考了相關可行性方案，最終選定了變壓器裝配工藝的“平行推進法”［4］。變壓器絕緣結構如圖1所示。

圖1 變壓器絕緣結構

本工藝過程主要是將扁平變壓器繞組固定在裝配臺上，然后將繞組鐵心推到繞組中與鐵心平行的位置，使得鐵心的對接區域不在繞組內，鐵心組裝過程中產生的碎片不會直接落入變壓器中，有效地保證了繞組和變壓器的電氣性能和操作人員的安全。同時，在“平行推進法”過程中，通過“吹、粘、護、緊、封”等措施，提高變壓器的一次合格率。

（1）吹：是指在鐵心組裝完成封裝后，用高壓氣流將變壓器清理一遍，把操作人員失誤產生的鐵心破片碎屑吹出來，也防止衣物中的夾雜灰塵落入變壓器間隙當中。

（2）粘：是指在鐵心組裝完成封裝后，用特殊凝結劑涂抹在重合區域，方便將變壓器死角的破片粘住，這樣碎片就不易落入變壓器間隙中。

（3）護：利用環氧樹脂澆注半圓型鐵心保護槽，在鐵心平行移動的過程中起避震保護作用，降低鐵心磨損，增加變壓器穩定性。

（4）緊：縮減主絕緣結構間距、絕緣繞組與上下軛部縱向距離。磁通密度降低，繞組線圈匝數減少，銅箔使用量下降。

（5）封：在鐵心組裝完成后，用絕緣電話紙將非晶合金鐵心覆蓋包裹，避免變壓器工作工程中鐵心產生的破片、碎屑落入變壓器油中，引起變壓器不耐壓。

采用新型變壓器鐵心安裝法，有效降低了鐵心損耗。變壓器空載損耗取值由1.13降為了1.09。由于變壓器空載損耗與空載系數成正比關系，間接證明了新型變壓器鐵心安裝法，銅箔使用量，降低變壓器空載損耗，減輕材料成本。

3 結論

本文通過對SBH15-315/10變壓器鐵心質量和線圈結構的改進，降低了主要生產材料的成本。選擇了四種更經濟的生產方案，供變壓器設備生產廠家參考。另外，對變壓器的安裝工藝絕緣主結構進行了輕微地改變，減少了安裝過程中碰撞造成的鐵心損耗，提高了變壓器生產的良品率。