长圆形铁心重量的计算方法

陈朋，孙业荣，陈飞，宋述兵，刘杰

（1．山东电工电气集团智能电气有限公司，山东济南250022；2．山东电力设备有限公司，山东济南250022）

长圆形铁心重量的计算方法

陈朋1，孙业荣1，陈飞1，宋述兵2，刘杰2

（1．山东电工电气集团智能电气有限公司，山东济南250022；2．山东电力设备有限公司，山东济南250022）

介绍了一种长圆形铁心重量的计算方法，通过VB编程实现了铁心重量计算的参数化、自动化。

变压器；铁心；重量；VB

目前，我国中小型变压器制造企业众多，竞争激烈，为了降低设计成本，许多制造企业已经开始广泛采用长圆形铁心结构。长圆形铁心（图1所示），就是将传统铁心的多级圆形截面分为两个半圆，中间增加一个矩形。与圆形铁心相比，采用长圆形铁心结构能减小中心距，降低铁轭高度，从而减小铁心的体积和重量，节省硅钢片用量。同时，铁心体积的减小有助于节省钢材和变压器油的用量，铁心重量的减小有助于降低变压器的空载损耗和空载电流，使电磁参数更易于满足参考标准的要求，进而有利于设计出原材料更为节省的电磁计算单。经统计，S11系列长圆形铁心配电变压器与相同容量的传统变压器相比，可节约原材料成本5%～10%.

图1　长圆形铁心截面

传统电力变压器铁心重量的计算方法是依据文献［1］中提供的经验公式，将心柱重量、铁轭重量和角重三者求和，其中心柱和铁轭重量可以通过计算求得，角重则需要通过查表得出，文献［1］中提供了不同直径对应的铁心参数。然而，近年来随着变压器铁心截面优化设计的不断进步和铁心制造工艺的需要，铁心的直径已不再局限于5的整数倍，而是任意整数，铁心参数也不再拘泥于表中提供的数据，种类更加丰富。长圆形铁心本身就比圆形铁心多了一个矩形部分，并且在设计和制造过程中，为了便于结构设计或降低原材料成本，通常会采用低压侧铁心去级、倒多级T形铁轭截面等特殊结构。因此，采用传统的方法计算长圆形铁心的重量已经不适用，必须找出更加准确的计算方法。

本文提出了“逐级计算，然后累计”的计算方法，并且通过VB编程的方式实现了变压器铁心重量计算的参数化、自动化。

1　计算方法

变压器铁心由多级铁心叠片叠积而成，要计算铁心的重量，只需将所有单级铁心叠片的重量累加求和即可；而要计算单级铁心叠片的重量，则需先求出单级铁心叠片的体积。图2所示为单级铁心叠片叠积而成的平面（以下简称“单级平面”），为了便于计算单级铁心叠片的体积，需将每个单级平面分为5个部分，即2个铁轭和3个心柱，并分别计算其面积。

图2　铁心的单级平面

单级平面的面积为：

式中：

pi为单级铁心叠片的片宽；M0为中心距；Hi为单级平面中铁轭间距，Hi=H0+p1-pi；H0为窗高。

单级铁心叠片的体积为：

铁心的体积为：

式中：

n为铁心级数；α为单级铁心叠片对应的数量（主级时α=1，其它α=2）；hi为单级铁心叠片的叠厚。

综上，铁心的重量为：

式中：K为铁心的叠片系数；ρ为硅钢片密度。

上述即为长圆形铁心按照常规结构设计时铁心重量的计算方法，但是在实际生产应用过程中，变压器设计者为便于结构设计或降低原材料成本，通常会采用一些特殊的铁心结构，比如低压侧铁心去级、倒多级T形铁轭截面（如图3所示）等结构。

图3　上铁轭截面

不同的叠积方式也会对铁心重量产生影响。以下是对影响铁心重量计算的几种因素的分析。

1.1低压侧铁心去级

低压绕组采用箔绕方式的配电变压器，在结构设计过程中通常会根据所选用铜排的厚度将低压侧铁心去级。低压侧铁心去级后，公式（3）中去级处的单级铁心叠片对应的数量由2变为1，导致铁心的体积和重量降低。

1.2倒多级T形铁轭截面

为了便于计算该结构型式的铁心重量，首先需引入落平级数和偏心距的概念。落平级数是指铁轭中与主级叠片端面平齐的单级铁心叠片的数量之和；偏心距是指单级铁心叠片的中心线与主级铁心叠片中心线的偏移尺寸。

当上、下铁轭采用倒多级T形截面的结构型式时，铁轭中铁心叠片的片形不变，心柱的高度将会减小2个偏心距，即：

此时，单级平面的面积表达式为：

1.3叠积方式

目前，配电变压器主要采用三级搭接接缝和五级搭接接缝两种型式。分析单级铁心叠片的片形可知，当采用不同级数搭接接缝的铁心结构型式时，边柱和铁轭的片形不变，而中柱片形是不同的。

（1）若变压器铁心采用三级搭接接缝，则中柱片形有2种（如图4所示）：单级铁心叠片叠厚的为片形1，叠厚的为片形2.取步进量为5 mm并比较两种片形的面积可知，片形2比片形1的面积小，用△表示面积差，△＝50 mm2.

图4　铁心中柱片形

此时，单级铁心叠片体积的计算公式：

（2）若变压器铁心采用五级搭接接缝，则中柱片形为3种，3种片形在铁心单级叠厚中所占比例分别为.同理，取步进量为4 mm，并比较三种片形的面积可知：△1＝32 mm2，△2＝128 mm2.

此时，单级铁心叠片体积的计算公式：

2　计算机编程设计

本文所述的计算方法虽然准确、有效，但是工作量较大，不宜采用手工计算。为了克服这一不足，需借助于计算机编程。Visual Basic（VB）是目前开发Windows应用程序最为迅速、简捷的程序设计语言，具有语法简单、功能强大、易于掌握的特点，特别适用于配电变压器优化设计和参数化绘图软件的开发。本文采用VB编程的方式开发了变压器铁心重量的计算程序，图5所示为变压器铁心数据计算的程序界面。该程序通用化程度高，移植性强，可作为子程序直接应用于变压器的优化设计和参数化绘图软件的设计之中。

图5　程序界面

3　结束语

本文详细叙述了一种新型的变压器铁心重量的计算方法，并通过VB编程的方式实现了变压器铁心重量计算的参数化、自动化。该方法只需计算每个单级铁心叠片整体的体积和重量即可，无需对铁心的逐个片形分别计算，大大简化了计算过程，不仅可以用于长圆形铁心重量的计算，而且对计算传统结构型式的铁心重量同样适用。目前，优化设计和参数化绘图已经成为变压器行业内关注的焦点，文中所述的编程设计具有良好的通用性，可直接应用于变压器优化设计和参数化绘图软件的开发过程之中。

［1］路长柏，郭振岩.电力变压器理论与计算［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.

The Weight Calculation of the Elliptical Iron Core

CHEN Peng1，SUN Ye-rong1，CHEN Fei1，SONG Shu-bing2，XIE Jie2
（1.Shandong Electrical Engineering&Equipment Group Intelligent Electric Co.，Ltd.，
Jinan Shandong 250022，China；2.Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan Shandong 250022，China）

The weight calculation method of the elliptical iron core is introduced.Parametric and automatic of the calculating is realized by VB programming.

transformer；iron core；weight；VB

TM402

B

1672-545X（2016）08-0244-03

2016-05-12

陈朋（1987-），男，山东临沂人，硕士研究生，工程师，主要从事变压器的研发和设计工作。