变压器铁芯结构的分析

三相变压器铁心结构分析

张国兵

(武汉高压研究所, 湖北武汉430074)

摘要:在总结目前三相变压器铁心结构形式的基础上, 分析和比较了各种三相铁心结构的特点, 探讨了三相

铁心结构的发展趋势。

关键词:变压器; 铁心; 结构; 分析

中图分类号:TM4　　　文献标识码:B　　　文章编号:1001-8425(2001) 07-0023-04

相铁心柱布置在同一平面内; 在立体布置型铁心中,

旁轭(如果有旁轭) 置, 变压器铁心可分为) 。叠片, 又可分为壳式和心式两种, 目前, 也有将叠片式铁心呈立体布置的; 卷铁心既有平面布置型又有立体布置型。

根据铁心磁通回路的特点, 变压器铁心还可分为不带旁轭式和带旁轭式两种。不带旁轭式铁心包括平面布置型三相三柱式铁心和立体布置型三相三柱式铁心; 带旁轭式铁心包括壳式铁心和平面布置型三相五柱式、三相四柱式、三相四框式铁心以及立体布置型三相六柱式铁心。

三相变压器铁心结构形式如表1所示。

表1　三相变压器铁心结构形式

铁心柱的铁心制造的布置方式工艺特点

铁心磁通回路的特点旁轭和铁心柱带旁轭式不带旁轭(三相三柱) 式

平面布置型

铁轭形状

——

一般用途1　引言

节约能源和使用环保节能产品是我国一项基本国策。从20世纪80年代初期开始, 随着晶粒取向

,7器。至90高以及新工艺、,7型系列产品也被作为高能耗产品, 由9型系列产品取而代之。同时, 卷铁心非晶合金铁心变压器作为新一代节能产品也展现了新的前景。

随着铁心材料性能的提高, 变压器的能耗得到了不断降低。与此同时, 通过对铁心结构的大量研究和开发, 各种铁心结构形式不断涌现。尤其是卷铁心技术在配电变压器中的应用, 带旁轭式铁心在组合式变压器中的应用, 以及立体布置型铁心的研究开发, 为铁心结构形式的应用开辟了新路。为此, 有必要对各种铁心结构形式进行总结分析。三相制输配电系统有其固有的优势, 除特殊情况下有少部分单相用电采用单相变压器外, 绝大部分采用三相变压器, 因此下面仅对三相变压器铁心结构特点进行分析。必须指出, 铁心结构并不是决定铁心性能的唯一参量, 铁心性能除了与铁心结构有关外, 还与铁心材料、绕组接法、退火工艺、机械受力等诸多因素有关。因此, 对铁心结构的分析和比较就不可避免地局限于某种特定意义上。

带旁轭(三相五柱) 式带旁轭(三相四柱) 式

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卷铁心叠片式

不带旁轭(三相三柱) 式带旁轭(三相四框) 式

不带旁轭(三相三柱) 式三角形不带旁轭(三相三柱) 式三角形带旁轭(三相六柱) 式

三角形2　三相变压器铁心结构形式

根据三相铁心柱的布置方式, 可以将三相变压器铁心分为平面布置型(三相铁心柱呈平面布置) 和立体布置型(三相铁心柱呈立体布置) 两种。在平面布置型铁心中, 旁轭(如果有旁轭) 和铁轭一般与三

立体布置型

卷铁心

3　三相铁心结构特点简述及分析

3. 1　平面布置型

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3. 1. 1　叠片式铁心

而, 这种“理想结构框架”很难与铁心制造的工艺特点有机地结合起来, 难以充分保证铁心磁通回路性能。

3. 2. 1　叠片式铁心

叠片式铁心通常为平面布置型, 又可分为壳式和心式两种参见文献[1]。其中, 壳式铁心(带旁轭式结构) 只在一些特种变压器中采用。心式铁心适用于各种类型的变压器。心式铁心一般采用三相三柱式结构, 这种铁心结构因其固有的优点, 所以应用最为广泛。在大型变压器中, 为降低铁心高度, 常采用三相五柱式结构。

目前, 在组合式变压器中, 为降低铁心高度, 铁心也采用三相五柱式结构, 而且为了使组合式变压器结构紧凑, 其铁心截面和绕组均为矩形。

从组合式变压器断电保护的需要考虑, 采用带旁轭式结构, 如三相四柱式铁心结构。第四柱在某一相断相故障时, 起闭合磁路作用, 保证其余两健全相正常运行供电, 以减少事故所造成的损失。3. 1. 2　卷铁心

目前, 在组合式变压器中, 为降低铁心高度, 也有将叠片式铁心呈立体布置, 并采用三相三柱式结构。这种铁心由三个独立的“□”形单框组装而成, 每个心柱均由两个对称的近似半圆形的多级阶梯式截面组成。这是铁心采用叠片式以求实现“理想结构框架”的尝试之一。但是, 由于每一心柱是由两个分开的部分组成, 在高磁密下, 磁通在分开部分之间穿越时将对空载性能产生不良的影响。为减轻这一影响, 应适当增加铁心柱截面积, 但这将造成材料用量的增加。3. 2. 2　, , , 用[2]。

目前, 有将卷铁心制成立体布置型三相三柱式铁心的。这种结构经环形绕制成不开口的多级三环三柱式, 每环结合面为60°斜平面相接, 其框架与立体布置型叠片式铁心结构有一些相似之处。这是采用卷铁心以求实现“理想结构框架”的又一种尝试。但是, 该结构铁心填充系数较低, 且与立体布置型叠片式铁心一样, 应适当增加铁心柱有效截面积。

还有将卷铁心制成立体布置型三相六柱式铁心的。这种结构是在三相三柱式铁心基础上多增加了三柱旁轭, 从而提高了铁心填充系数, 且不需增加铁心柱截面积。但由于旁轭的增加, 将造成材料消耗和成本的增加, 且旁轭的不良影响必须采用绕组的三角形联结来抵消。

卷铁心最早使用于电子变压器, 相变压器, 参见文献[2]。流通方向相同, 挥。必须指出:卷制而成, 虽然在片形上没有接缝, 但磁通闭环回路上仍有气隙存在。

将卷铁心技术推广到三相变压器即可制成平面布置型三相三柱式铁心。它有两个相同的内框和一个外框。由于其每一心柱都是由两个不同的框柱组成, 在高磁密下, 磁通在不同的框柱之间穿越时, 其磁通回路性较差。因此, 这种三相三柱式卷铁心存在结构缺陷。

非晶合金铁心材料不适用于叠片式铁心, 宜采用卷铁心。目前, 非晶合金铁心采用不连续式矩形铁心截面(绕组也采用矩形型式) 的三相四框结构制成平面布置型三相五柱式铁心, 参见文献[3]。三相五柱式铁心的铁轭磁通只有铁心柱磁通的1/, 铁轭磁通量的减小可通过适当增加铁心柱的截面积来弥补三相三柱式卷铁心的固有结构缺陷, 使卷铁心空载性能得到改善; 但铁心柱截面积和旁轭的增加, 将造成材料消耗和成本的增加。3. 2　立体布置型

早期的渐开线式铁心为立体布置型三相三柱式结构[1]。该结构最大优点是节省硅钢片, 但由于此种结构铁心柱和铁轭的接缝处气隙较大, 致使空载电流和噪声较大而被淘汰。从节省硅钢片材料的角度出发, 这种铁轭为立体布置型三相三柱式铁心结构框架是三相变压器铁心较理想的结构框架。然

4　三相铁心结构特点比较

4. 1　平面布置型与立体布置型铁心比较

由于平面布置型铁心具有铁心接缝处气隙小、夹紧结构简单等优点而在实际中被广泛使用, 三相磁路不对称的影响可忽略不计。平面布置型三相三柱叠片心式铁心为目前最优实用结构。

立体布置型铁心, 三相磁路完全对称, 但这一优点没有实际优势。从节省硅钢片材料的角度出发, 铁轭为立体布置型三相三柱式铁心结构框架是三相变压器较理想的结构框架, 但在满足铁心磁通回路性能上难以取得实用上的突破。

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4. 2　叠片式与卷铁心比较(3) 对组合式变压器, 为降低铁心高度, 或满足

早期的渐开线式铁心不能采用多级接缝, 因此接缝大是其难以克服的结构缺陷。而对晶粒取向硅钢片而言, 由于硅钢片的取向性, 更不适宜采用渐开线式铁心结构。

叠片式铁心可采用多级接缝, 因此铁心接缝处气隙小, 不存在明显的结构缺陷, 因而该结构较实用。

卷铁心用于单相铁心, 其空载性能优良; 但用于三相铁心, 其空载性能较差, 存在结构缺陷。因此只有当采用性能优异的非晶合金材料或采用退火工艺使硅钢片材料整体性能得到改善, 同时适当增加铁心柱截面积或旁轭足以弥补结构缺陷的影响时, 三相卷铁心才有实用意义。4. 3　不带旁轭式与带旁轭式铁心比较不带旁轭式铁心, 三次谐波磁通没有畅通回路, 空载波形不易畸变, 空载性能好, 材料消耗少。所以一般以不带旁轭为主。

, , 心空载性能。路, , 铁心空载性能下降。但在某种情况(如采用壳式结构, 需要降低铁心高度, 考虑断电保护的需要或弥补卷铁心结构缺陷等特殊需要) 下可采用旁轭。采用旁轭的同时, 绕组的联结必须采用三角形联结, 为三次谐波电流提供通路, 以避免旁轭的不良影响。

断电保护的需要, 可采用带旁轭式心式铁心结构, 包括三相五柱式和三相四柱式。但考虑旁轭对铁心性能的影响, 绕组的联结必须采用三角形联结以补偿其所造成的影响, 而绕组的联结采用三角形联结的同时, 也提高了变压器的防雷性能和带单相负载的能力。

(4) 对非晶合金材料, 由于其在受力状态下材料性能不稳定, 因此, 必须对非晶合金铁心采取措施防止其受力。根据非晶合金材料的特点, 它不适宜做成叠片式铁心, 可做成三相四框式卷铁心结构, 并通过适当增加铁心柱截面, 可弥补三相卷铁心结构缺陷的影响。

(5) 对常规取向硅钢片, 如果退火工艺使材料整体性能大大改善() , 。因, 可用常规。5. 3　结构探讨

(1) 立体布置型三相三柱式铁心结构框架是三相变压器铁心较理想的结构框架。该结构铁心只有在铁心工艺上有新的突破, 以实现这一“理想结构框架”并充分保证铁心磁通回路性能时, 立体结构才有推广应用的可能。

(2) 三相卷铁心存在固有结构缺陷, 在结构上远不如三相叠片式铁心成熟时, 还有待于进一步探索。此外, 如何提高硅钢片退火合格率以及防止非晶铁心受力, 从而保证材料性能的改善和稳定, 是弥补卷铁心结构缺陷的关键。参考文献:

[1]　许实章. 电机学[M].北京:机械工业出版社,1980. [2]　夫兰克林A C , 夫兰克林D P. 变压器全书[M].崔立

5　三相铁心结构发展趋势探讨

5. 1　常用结构

目前最优实用结构为平面布置型三相三柱叠片心式铁心。

5. 2　特殊需要结构

(1) 对一些特种变压器, 常采用平面布置型叠片壳式铁心结构。

(2) 对大型变压器, 为降低铁心高度, 常采用平面布置型三相五柱叠片心式铁心。

君, 杨力田, 张万和, 等译. 北京:机械工业出版社,