变压器的骨架—铁心设计简析

(特变电工沈阳变压器集团有限公司 辽宁 沈阳 110144)

一、概述

变压器是根据电磁感应原理制造的，磁路是电能转换的媒介，而铁心就是变压器的磁路部分，由磁导体和夹紧装置组成：

1.铁心由磁导率很高的冷轧硅钢片叠制而成，铁心的磁导体是变压器的磁路。它把一次电路上的电能转为磁能，又把磁能转变为二次电路的电能，是能量转换的载体。

2.铁心是变压器的内部骨架，铁心的夹紧装置具有机械方面的功能。铁心的心柱上套装各个绕组，支持着引线、木件、分接开关和其他一些组件。

二、铁心截面及形式

变压器铁心通常选用高导磁，低损耗，低噪声的优质晶粒取向冷轧硅钢片叠成。多级圆形截面是用得最广泛的心柱截面形状。级数越多，截面越接近于圆形，填充系数就越大。

(一)叠积形式

目前采用的叠片方式为：铁心叠片如没有需要原则上尽可能采用五级接缝，一片一叠，每级步长1 0(如下图1所示)，所有片形均开定位孔，孔径为φ16。

图1 叠片方式

当心柱片宽>900时，采取拼接方式，三级接缝，两片一叠，每级步长20，不开定位孔(如图2所示)。当心柱片宽<900时若需拼接则由车间自行处理。对于大容量铁心压轭心柱出台情况，心柱片也采取拼接方式，二级接缝，两片一叠，每级步长30，不开定位孔(如图3所示)。

图2 心柱拼接三级步进接缝 图3 心柱出台拼接二级步进接缝

(二)叠片次序

铁心叠积图中叠片次序：上轭叠片次序从左至右：八字片—鱼头片，下轭叠片次序从左至右：鱼头片—八字片。如上述叠片次序造成片型增多可改变其次序，否则均要按要求执行。

三、铁心的空载性能

变压器的空载性能包括空载损耗和空载电流，计算空载损耗时常常忽略空载电流I0在一次线圈中产生的电阻损耗，因此空载损耗就是铁心损耗，铁心的空载损耗主要由铁心片中的磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗组成。

(一)磁滞损耗

铁心中的磁滞损耗是铁磁材料在反复交变磁化过程中由于磁滞现象所产生的损耗，磁滞回线的面积愈小、磁滞损耗也就愈小，磁滞损耗与硅钢片内部的结晶方位、结晶纯度、内部晶粒的畸变等因素都有关系。

(二)涡流损耗

由于铁心本身为金属导体，所以由于电磁感应现象所感生的电势将在铁心内产生环流，即涡流。由于铁心中有涡流流过，而铁心本身又存在电阻，故引起了涡流损耗。

(三)附加损耗的大小主要由以下几个因素决定：

①材质特性：如硅钢片的方向特性，热轧的无晶粒取向的硅钢片磁导率比冷轧的有晶粒取向的硅钢片低、铁心损耗高，因此现在普遍采用冷轧的有晶粒取向的硅钢片作为变压器铁心的导磁材料。

②绝缘膜的特性，冷轧取向磁性钢片的表面有两层膜，这两层膜在高温下烧结冷却时，因热膨胀率存在差别，产生的差值对钢板施加张力，降低了铁心损耗，因此在硅钢片的剪切过程中不得摔打、弯折硅钢片。

③设计结构：如心柱铁轭是否冲孔，冲孔是为了铁心定位用的，但同时增大了铁心的空载损耗，因此设计铁心片的定位孔时应该根据片宽来确定定位孔合理的直径。

④工艺加工：如冲剪加工的尺寸精度和毛刺大小、毛刺过大会影响铁心的局部放电，影响铁心叠装时的厚度控制，一般小于0.02mm。

四、降低变压器空载损耗的方法

(一)改变每层叠片的数量，降低铁心空载损耗

铁心叠装时，每层叠片的数量一般为1-3片。数量越多，接缝处气隙的截面积越大，接缝处引起的磁通密度畸变也越大。由于磁通密度畸变，使接缝处硅钢片磁通密度增大，引起空载损耗增加。

采用混合叠片的方法，既能降低铁心空载损耗，又不增加多少工时。即铁心总厚度的1/3的中心部分采用一片一叠，接下来的1/3部分采用两片一叠，最靠外的1/3部分采用三片一叠，总的叠装工作量并不增加多少，但可以取得降低铁心空载损耗和空载电流的效果。

(二)减小铁心搭接宽度，降低铁心空载损耗

在铁心叠片拐角处，心柱片与上下轭片接缝区搭接宽度的大小对变压器空载性能有一定的影响。搭接面积大，磁通穿过的区域便相应增大，从而造成空载损耗增大。要降低铁心空载损耗，必须研究在满足机械强度的前提下，选择空载损耗与机械强度都是最佳的搭接面积。

(三)采用阶梯接缝降低铁心空载损耗

对于阶梯接缝的磁通分布，由于磁性硅钢片的磁导率远大于空气，因此，在接缝处，磁通将通过铁心片进入相邻的叠片，而不穿过空气隙，只有在相邻的叠片饱和时，磁通才通过气隙。这种接缝形式把叠片接缝左右方向错开，以求最大限度地降低铁心空载损耗。例如用五级单片叠和两级两片叠接缝位置比较。取10片片宽相同的硅钢片进行叠片，采用五级接缝叠完10片时每个接缝处有两片；采用两级叠完10片时每个接缝处有5片。采用五级接缝大大改善了接缝处的横截面积，接缝处的磁通密度大大降低，从而降低了空载损耗。

五、小结

本文简要概述了铁心的设计要点，铁心是变压器设计的基础部分，对于硅钢片的选用，目前选用比较多的是0.27mm及0.3mm的冷轧硅钢片，从变压器的空载损耗产生的原因到降低空载损耗的方法进行简析，空载损耗是不随负载而改变的恒定损耗，降低空载损耗是变压器生产的主要任务之一，对节省运行中的能量损耗具有很大的意义。