电力变压器铁心柱截面优化设计

陈 仲

山东泰开变压器有限公司

电力变压器铁心柱截面优化设计

陈 仲

山东泰开变压器有限公司

电力变压器已广泛应用于工农业生产中，在设计中很重要的一个环节就是铁心柱的截面设计。 变压器的心柱截面一般采用多级圆形截面，为了提高心柱截面的利用率， 必须增大心柱的几何截面与外接圆截面的比例。为达到此目的，一般有两条途径，其一是提高叠压系数，其二是在给定直径D 时，增加多级圆形截面的几何面积。 基于此，本文将着重分析探讨电力变压器铁心柱截面优化设计，以期能为以后的实际工作起到一定的借鉴作用。

电力变压器；铁心柱；截面；设计

1 铁心柱截面优化设计概述

铁心是变压器的导磁部分，其对硅钢片导磁材料的消耗相当大，对变压器的圆形铁心柱截面进行优化设计有利于提高铁心导磁材料的利用率。铁心截面优化设计的目的是为了在方案设计时选取合适的铁心直径参数，并方便地将磁通密度调整到合适的范围。一般铁心圆形截面设计是根据制定好的设计原则，预先设计出一组变压器铁心截面和各级尺寸宽厚，并制作成通用的参数表。在设计变压器时，选定铁心直径后通过查询铁心参数表即可。这种直径分档设计方法操作起来非常方便，但磁密的调整几乎不可能。为了减少磁密选择的难度，提高变压器铁心材料利用率，铁心直径分档应当更细些，如以2mm或lmm为一档，这种分档方式使得铁心截面积幅度变化减小。

2 常用的铁心柱截面类型

目前，我国的电力单位在进行立体卷铁心变压器建造的过程中，主要采用的铁心柱截面主要有四种，分别是阶梯形、圆形、复合形以及多边形。关于这四种类型的铁心柱截面的具体内容，笔者进行了具体阐述，具体内容如下。

2.1 阶梯形心柱截面

事实上，目前常用的阶梯形心柱截面的填充系数(铁心柱几何面积与外接圆面积之比)只有0.89～0.9，与其他类型的截面相比，其值比较低。不仅如此，由于阶梯形截面的磁阻以及都比其他的截面类型要大，故而在铁心柱构造的过程中，相关单位较少的使用阶梯形截面。

2.2 圆形、复合形截面

与阶梯形心柱截面不同的是，圆形、复合形心柱截面的填充系数要高，一般达到0.98。但是，其在实际的使用过程中存在材料利用率低、料带裁剪难度大、生产工时多等方面的缺憾，基于此，就使得这一类型的心柱截面在实际的生产以及使用过程中都受到一定的阻碍。

2.3 多边形心柱截面

虽然多边形截面的填充系数比圆形、复合形截面的要低，仅为0.945～0.955，但是该类型的多边形心柱截面对于构成材料的利用率却高达100%。不仅如此，由于多边形心柱截面的料带为梯形式样，故而使得其在实际的裁剪作业过程中不会产生过多的余料，对于硅钢片的利用率也较高。事实上，由于梯形料带的裁剪方便，且对于材料的使用率较高，因而相关单位在进行裁剪工时为曲形料带的一半以下。

3 变压器铁心柱截面的传统设计方法

铁心柱的截面设计是电力变压器设计的一个重要环节。电力变压器铁心柱通常在圆形线圈内，为了充分利用线圈内圆形空间，铁心柱截面被设计成上下轴对称的多级阶梯。设计中，通过合理选择各阶梯矩形尺寸，力争使铁心柱截面几何面积最大。当圆形线圈的直径一定时，铁心柱级数愈多，截面积愈大，变压器的性能越好，但级数过多会造成硅钢片的规格繁杂，制造工时增加，因此需要综合考虑铁心柱的利用系数和制造工艺问题。

设计大直径多级铁心柱的传统方法一般采用作图法，即在图纸上经过反复核算，画出较好的铁心截面积设计方案，来确定铁心直径，铁心直径确定后，铁心截面各级硅钠片宽度和叠厚的尺寸就根据设计手册唯一确定。铁心柱直径与级数的经验对应关系如表 1 所示，通常是按照铁心柱直径所处的范围来判断铁心柱的级数。

表1 铁心柱截面级数的选择

为了衡量电力变压器铁心柱截面填充系数，一般选择填充系数为铁心的实际几何截面积(硅钢片的横截面积)与外接圆的面积的比值，具体的计算公式如公式(1)所示。

填充系数越大，说明铁心设计的越合理。

4 变压器铁心柱截面优化设计

变压器优化设计是在保证产品综合性能的基础上，参考相关国际标准和国内规范，结合用户特殊需求，通过变压器设计基本方法得出最优的变压器产品，实现经济效益和社会效益双赢的目标。目前，按冷却方式可将变压器分为干式变压器和油浸式变压器两种，虽然干式变压器以诸多优点得到了快速推广和应用，但还无法完全取代油浸式变压器，特别是在农网中，油浸式变压器还占据着很大比例，因此，文章主要对油浸式变压器的优化设计进行分析，以便产生最广泛的实践指导意义，以促进油浸式变压器在电力系统中整体效益的最大化。 特别是随着城市化进程的加快，变压器主要材料铜和硅钢片价格不断上涨，基于经济效益考虑，急需从设计方面加以优化，这也是变压器结构优化设计的主要出发点，在各方面性能达到规范要求和用户需求的基础上，实现变压器节能节材目标。文章主要对变压器铁心柱截面、铁心柱型式和铁轭结构的优化设计进行分析，同时对变压器绕组方面的材耗和总耗降低措施进行初步探讨，对变压器综合设计水平的提高具有一定的借鉴价值。

5 结束语

总而言之，变压器作为电力网络中变电、输电、配电的重要设备，其综合性能、经济成本、节能环保等直接关系着电力系统的经济效益和社会效益。目前，随着电力工业技术的不断发展，变压器设计水平、制造工艺有了很大幅度的提高，但从总体水平来看，与发达国家还存在着一定的差距，特别是在变压器的设计方面，还不能满足高性能、低成本、少能耗等要求，因此，有必要对变压器优化设计进行研究，提高变压器设计水平，保证电力系统的安全、稳定、持续运行。

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