淺談干式變壓器圓形鐵心與長圓形鐵心的優缺點

賈子豪，常軍

（中鐵電氣工業有限公司保定鐵道變壓器分公司，河北 保定 071000）

在電力系統中，干式變壓器能起到調壓穩壓、降低電能輸電損耗的作用，占據十分重要的一環。據數據顯示，在我國配電變壓器損耗占到了輸配電損耗的四成以上，而輸配電損耗又占到全國發電量的6.6%左右。隨著國家對節能環保的重視和市場競爭的不斷激化，變壓器損耗的要求隨之越來越高，變壓器成本也被壓縮得越來越低。目前，為了節約成本，絕大部分廠家已經開始使用長圓形鐵心來替代圓形鐵心作為變壓器的安裝框架，同時，事實證明長圓形鐵心也是可以達到所需技術指標的。為此，筆者對干式變壓器這兩種鐵心形式進行了分析。

1 兩種鐵心形式

圓形鐵心和長圓形鐵心的區別在于，長圓形鐵心是在圓形鐵心的基礎上得來的，在計算時可以以圓形鐵心為基礎去反求合適的長圓形鐵心。圓形鐵心和長圓形鐵心型式如圖1和圖2所示。

圖1 圓形鐵心截面

圖2 長圓形鐵心截面

為了研究兩種鐵心的優缺點，以某用戶要求的SCZ13-1000/10型變壓器為例，對兩種鐵心進行了尺寸、成本分析，利用有限元軟件建立三維模型對兩種鐵心形式的干式變壓器漏磁進行了仿真。

2 成本分析

技術要求：

損耗允許偏差：空載損耗、負載損耗允許偏差：+15%；總損耗允許偏差：+10%；短路電抗允許偏差：±10%。

根據技術要求，進行電磁計算。電磁計算是變壓器設計中的重要步驟。變壓器的優化電磁計算，可以降低生產成本，提高產品運行性能，降低產品運行損耗，具有明顯的經濟效益。主要技術參數為空載損耗、負載損耗、阻抗、溫升。電磁計算的主要作用是指導結構設計（表1）。

額定容量 kVA 1000高壓kV 10分接范圍 % ±4×2.5%；低壓kV 10聯結組標號 Dyn11空載損耗 W 1390負載損耗 WF（120℃） 7900空載電流 % 0.34阻抗電壓 % 6電壓組合

（1）圓形鐵心方案：鐵心為三相三柱，采用三級接縫。估算圓形鐵心直徑φ265，計算出鐵心各級片寬、片厚，最后確定圓鐵心幾何尺寸，見圖3。鐵心最大片寬取260mm，鐵心疊片厚度246mm，疊片系數0.96，此時鐵心心柱凈截面積為495.36cm2，硅鋼片采用27QG100。

圖3 圓形鐵心截面尺寸

（2）長圓形鐵心方案：鐵心為三相三柱，選取長圓形鐵心。確定長圓鐵心幾何尺寸，見圖4。鐵心最大片寬180mm，鐵心疊片厚度300mm，寬厚比0.633，疊片系數0.96，鐵心心柱凈截面積為494.976cm2。

圖4 長圓形鐵心截面尺寸

電磁計算完成后，對兩種方案的主要技術指標進行了對比，見表2。

圓形鐵心 長圓形鐵心空載損耗(W) 1455 1450負載損耗(W) 8041 8048阻抗電壓(%) 6.0368 5.9889高壓溫升(K) 82.3 82.3低壓溫升(K) 82.8 82.4

通過分析（表3），發現在使用同一種型號硅鋼片、導線，且在空載損耗、負載損耗、溫升、阻抗電壓等技術指標計算值近似相等的情況下，圓形鐵心方案中心距和銅鐵成本都要偏高一些，長圓形鐵心方案成本主要節省在硅鋼片中。

圓形鐵心 長圓形鐵心心柱截面(cm2) 495.36 494.976窗高(mm) 1130 1130中心距(mm) 605 530銅(kg) 1305 1303硅鋼片(kg) 2363 2230銅鐵成本（萬元） 15.04 14.69

3 短路力分析

變壓器運行時，高低壓線圈都將處于強磁場之中，而當線圈突然短路時，極大的沖擊電流將會使線圈受到巨大電磁力。電磁力的產生是線圈中短路沖擊電流與漏磁場相互作用的結果，過大的電磁力會對線圈造成損壞。為此，我們利用有限元分析法（以干式變壓器某一相低壓繞組為例），使用Ansys Maxwell電磁軟件對兩種方案在低壓側短路的情況下進行了瞬態磁場仿真，場圖見圖5、圖6。

根據圖5和圖6顯示的結果，軸向漏磁分布主要集中于繞組中部，繞組兩端漏磁較小。究其原因，繞組端部導線受力發生彎曲變形致使漏磁變小，這也側面證實了繞組兩端所受短路力較大。

圖5 繞組漏磁分布（圓形鐵心）

圖6 繞組漏磁分布（長圓形鐵心）

根據導線短路電磁力公式（軸向或輻向）：

式中，B0為短路電流穩態值對應的磁密；R為電磁線等效半徑。

根據上式可以看出，在短路電流一定的情況下，短路力與漏磁密和電磁線等效半徑呈正相關。經過計算，在上述兩種方案中，圓形鐵心低壓繞組等效半徑為209.5mm，長圓形鐵心低壓繞組等效半徑為215.927mm；而且，從圖6中仿真結果可知，圓形鐵心方案漏磁密是略小于長圓鐵心方案的，因此就干式變壓器的抗短路能力而言，圓形鐵心方案更優越一些，但是長圓心鐵心也能很好的滿足用戶的要求。

4 結語

通過對兩種鐵心方案對比分析，可以確定的是，與傳統圓形鐵心相比，長圓形鐵心可以節省材料，在尺寸和成本等方面具有明顯優勢，但抗短路能力較弱，也可以滿足用戶使用要求，而傳統圓形鐵心正好相反。

國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會于2020年發布了新標準GB 20052-2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》，并且已經于2021年6月1日正式實施，這也標志著干式變壓器損耗要求將越來越嚴格。那么為了降低成本，占領更多市場，可以預見，將會有越來越多的長圓形鐵心干式變壓器進入市場，而同時只有不斷優化產品工藝，盡可能消除弊端帶來的影響，才能使長圓形鐵心發揮最大的效能。