电力变压器铁心的非线性磁化特性

电力变压器铁心的非线性磁化特性

贾浩

天威保变（合肥）变压器有限公司工艺部安徽合肥230041

摘要：近年来，电力变压器铁心的非线性磁化特性得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了铁心的分类，并结合相关实践经验，分别从卷铁心制造技术以及非晶合金铁心制造技术等多个角度与方面，对该课题展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

关键词：电力变压器；铁心；非线性磁化；特性

1前言

作为电力变压器铁心在实际应用中的一项重要方面，对其非线性磁化特性的探讨占据着极为关键的地位。该项课题的研究，将会更好地提升对铁心非线性磁化特性的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化电力变压器在实际运行中的最终整体效果。

2铁心的作用

铁心是变压器的基本部件，是变压器的磁路和安装骨架。铁心的磁导体是变压器的磁路。它把一次电路的电能转为磁能，又由自己的磁能转变为二次电路的电能，是能量转换的媒介。因此，铁心由磁导率很高的电工钢片（硅钢片）制成。电工钢片又很薄（0.23～0.35mm），且有绝缘，涡流损耗很小。磁导体是铁心的主体，所以后面所称的铁心实指磁导体。铁心的重量在变压器各部件中重量最大，在干式变压器中占总重量的60%左右。在油浸式变压器中，由于有变压器油和油箱，重量的比例稍有下降，约为40%。变压器的铁心（即磁导体）是框形闭合结构。其中套线圈的部分称为心柱，不套线圈只起闭合磁路作用的部分称为铁轭。现代铁心的心柱和铁轭均在一个平面内，即为平面式铁心。

3铁心的分类

3.1铁心的基本类型

铁心有两大基本结构形式，即壳式和心式。它们的主要区别在于磁路，即铁心与线圈的相对位置，线圈被铁心包围时称为壳式；铁心被线圈包围时称为心式。

一般情况下，壳式铁心是水平放置的，心式铁心是垂直放置的。大容量的心式变压器由高度所限，压缩了上下铁轭的高度，以增加旁轭的办法做磁路，将变压器铁心做成单相一柱（一个心柱）单相四柱（两个心柱）或三相五柱（三个心柱）。但是它们仍保留心式结构的特点，因此它们虽有包围线圈的旁轭，仍属于心式结构。1）、壳式铁心结构具有下列特点：①每种容量的铁似叠片只有一种片宽，故加工比较方便。②因铁心戴面为长方形，故与之相配合的线圈截面也应为长方形，同时线饼之间面积较大，这样可使饼间电容增大，对地电容与饼间电容之比小，故可改善线圈中的冲击电位分布，因此超高变压器采用壳式铁心结构时可简化线圈结构。③壳式电力变压器的引线都在上部，故出线方便，这一点对三相三线圈及自耦变压器则更方便。④当低压线圈流过大电流时，因线圈被铁心所包围，故电流引起的附加损耗较小。2）、心式铁心结构是我国变压器制造厂普遍采用的铁心结构形式。它具有以下优点：①铁心可先叠装成形，然后在铁心柱上套装已绕好的线圈。②线圈为圆形，故绕制方便。心式铁心分为单相双柱、单相三柱、三相三柱、三相五柱式等结构。选择铁心结构时，主要是考虑使空载电流和空载损耗小、噪声低、电压波形保证正弦波形。

3.2铁心的分类

按铁心外形分类：（1）辐射式心柱叠片列成辐射状，旁轭沿心柱圆周径向对装。这种结构可降低铁轭的高度，减少附加损耗，并可采用圆形的油箱，以减少变压器体积，但是制造时费工。这是一种特殊的结构。（2）渐开线式心柱由叠片经成形机压成渐开线以后，再叠装而成空心圆柱体，铁轭用带料卷成三角形，铁轭截面为心柱截面的l/3。心柱外径与内径之比为4.5～6。能节省硅钢片，但是结构不尽合理，因为对接式空载电流大。它是半卷半叠式铁心。只适用于成批生产的容量较小的三相变压器。3）Y形铁心Y形铁心的优点是：磁路对称，三相平衡，结构紧凑，经济性好。（4）环形卷铁心采用带料硅钢片连续卷成，不需叠装，磁通方向符合轧制方面，导磁性极佳，空载性能好，但是线圈需用专用设备绕制。它是卷制铁心中最简单的结构，适用于电流互感器、接触式调压器。另外，还有矩形的卷铁铁心和多级卷制铁心，多用于小容量的单相变压器，由于铁心的制造工艺决定于铁心的结构且彼此相差很大，一旦选定了某一种结构，就很难转而生产另一种结构。由于国内大多数厂家都习惯于采用心式铁心，故下面主要以心式铁心为主介绍有关数据和结构。

4卷铁心制造技术

近几年，卷铁心变压器发展较快，铁心大都是封闭式铁心，有多级型和R型铁心，铁心结构有平面布置的也有立体布置的。卷铁心的制造工序主要有硅钢片的纵剪、铁心卷制、铁心真空退火等。卷铁心机、铁心退火炉、专用绕线机等卷铁心变压器制造专用设备大量使用。为解决效率问题，减少专用绕线机的投资，开口卷铁心制造技术在国内也发展起来。

国内制造的开口卷铁心数控生产线采用连续剪切包绕卷制技术，由开卷机、放料控制装置、卷绕机、控制柜四部分组成。设备的主要特点有：①剪切、卷制一体化，自动化程度较高；②开卷机变频调速，缓冲控制；③送料采用交流伺服电机驱动；④剪床气动控制，采用了标准精密直线导轨导向，精度高、毛刺小；⑤刀具为硬质合金材料，使用寿命长；⑥卷绕与送料速度同步跟随控制，不停顿剪切，效率高；⑦铁心重量自动平衡补偿，不需要人工干预；⑧片宽无级调节；⑨采用工业PLC自动控制，触摸屏人机界面，操作方便快捷。

由开口卷铁心数控生产线卷制的铁心是圆形的，还要进行整形。然后退火、测试。退火的目的是消除硅钢片在卷制过程中产生的有害机械应力，使塑变部位“再结晶”，并最大限度地恢复择优取向结构和电磁性能。

5非晶合金铁心制造技术

当前，非晶合金变压器成为广泛关注的热点。由于非晶铁心的带材厚度仅0.025mm，还不到普通硅钢片的十分之一、并特别脆，硬度是取向硅钢片的5倍，加工剪切很困难，对设备、刀具要求较高，一般变压器制造厂家很难加工成铁心，现在一般都是购买现成的铁心。目前，扩大非晶合金变压器生产规模的趋势日强，非晶合金变压器铁心制造发展较快。

通常非晶合金铁心变压器铁心结构为有接缝卷铁心的形式，接缝的方式有对接和搭接两种，虽然搭接的方式较对接用料多一点，但是搭接的工艺较对接容易得多，所以应用较广泛。

目前，用于制造变压器的非晶合金带材有142㎜、170㎜、213㎜三种宽度，非晶合金铁心制造时，要先根据铁心需要的长度剪断非晶合金带材，然后，再用工模器具加工成矩形框。

非晶合金铁心剪切线是非晶合金铁心制造的关键设备，前些年依靠进口，现在已可以国产化。该设备主要完成非晶合金铁心的自动剪切和自动堆垛，剪切线采用PLC控制方式、伺服执行系统、触摸屏人机操作界面及高精度机械传动机构，以保证设备的高精度、高自动化、高生产率、高可靠性。在系统功能上可以满足非晶合金铁心系列对成型铁心的剪切要求以及对叠接级数、搭接方式、气隙间距等参数的设置、调整。剪切刀具也是该设备的关键部件之一。

非晶合金带在冲剪、卷制加工铁心时产生应力，为了获得良好的空载损耗特性，非晶合金铁心成型后必须采用氮气保护、在适当温度、一定的磁场条件下进行退火处理，退火工艺比较复杂，要求较高，是非晶合金铁心制造的关键工序之一。

退火出炉冷却至常温，经初步测试合格后，一般要在其两侧端面涂2mm厚的环氧树脂漆，待其加温固化后即可使铁心成为一个整体，打开接缝即可进行变压器器身的装配。

6结束语

综上所述，加强对电力变压器铁心非线性磁化特性的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的电力变压器应用过程中，应该加强对非线性磁化特性的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。

参考文献

[1]李环宇.变压器的制造工艺及改进措施探讨[J].电源技术应用，2012，（11）.

[2]王刚，沈巍，马涛.主变压器铁心故障判断与分析[J].高压电器，2010，（4）.

[3]谢志雄.常用变压器日常维护方法探讨[J].现代商贸工业，2011，（5）.