论文部分内容阅读
摘要：影响变压器空载性能的因素众多，铁心的接缝型式是其中重要的一项，本文浅述了变压器铁心接缝型式对空载损耗的影响，大致量化不同接缝型式对空载损耗的增益效果，为从事变压器设计工作者提供一定的数据及理论参考。
关键词：变压器;接缝型式;铁心;空载性能;空载损耗;
一、引言
变压器的空载性能是变压器的主要性能指标之一，直接关系着变压器产品质量优劣，并间接影响着变压器励磁涌流和磁致噪声。所以对变压器铁心空载性能的分析尤为重要。而影响变压器的空载损耗的因素有很多，其中铁心接缝型式是影响其空载性能的关键因素之一。
二、铁心接缝型式
铁心接缝按接缝型式与各厂制造工艺有关，不同制造厂为方便设计、制造有一套的片型、步进、定位原则。目前大部分厂家采用的是5级接缝型式。对于步长、定位方式各厂有一定的差别，以下举例其中一种接缝原则：
（1）各级默认采用的是5级接缝型式一片一叠，每级步长10，所有片形均开定位孔，孔径为Φ16。
（2）当心柱片宽较大时采取拼接方式，三级接缝，两片一叠每级步长20，不开定位孔。
（3）对于大容量产品铁心压轭结构，当心柱切角出台时，心柱硅钢片也采取拼接方式，二级接缝两片一叠每级步长30，不开定位孔。
（4）具有纵向铁心油道的铁心采用二级接缝，两片一叠每级步长30，片子去尖出台不开定位孔。
三、硅钢片电气与机械性质
不同接缝型式对空载性能的影响是由硅钢片固有特性导致的，目前国内外变压器铁心通常采用低损耗高导磁率的冷轧硅钢片，它具有以下特点：
（1）冷轧硅钢片有明显的方向性，即沿不同的磁通方向导磁时，硅钢片有不同的损耗值。经试验证明：垂直硅钢片轧制方向导磁时比顺向的损耗大三倍以上。
（2）同热轧硅钢片相比，冷轧硅钢片的涡流损耗占的比例较大，这是由于冷轧硅钢片的含硅量比热轧硅钢片低，从而降低了电阻系数的缘故。冷轧片的磁滞损耗与涡流损耗的比例大约为1：1，而热轧片大约是4：1。
（3）冷轧片对机械应力十分敏感，即随着机械应力的增加磁滞损耗和涡流损耗都要大幅度的增加。
不同的接缝型式可能导致铁心中磁通的分布不均以及在接缝处产生绕行现象，这是铁心损耗增大的主要因素。另外，不同的接缝型式对于铁心加工程度有所不同，而硅钢片的机械加工会导致硅钢片硬化、铁心片边缘冲剪毛刺的搭接，也将导致铁心空载性能变化。
根据多台产品试验数据和理论分析，得出的大致的关系如下：
1、铁心的叠片接缝形式决定了硅钢片的导磁方向和磁通行走路径。对于大，中型变压器来说，边柱和中柱全部采用半直半斜接缝，要比直接缝的空载损耗下降10%～15%，空载电流下降30%～50%左右。若边柱和中柱全部采用斜接缝，将比直接缝的空载损耗下降15%～25%，空载电流下降50%～100%。
2、为方便铁心叠积铁心片冲孔后，不仅局部减少了有效截面积，提高了磁通密度还会使磁通产生绕行现象，产生横向磁通分量，涡流损耗和磁滞损耗都明显增加。试验已经指出：损耗的增量ΔP%与孔数n成正比关系，而与相对孔径近似成平方关系增加。
在铁心有孔的情况下，设铁心片宽为1，孔的直径是1的x倍，如上图2所示的截面a处，有空部位的铁心宽度为1-x，该部位的磁通密度为B/（1-x），其中B是没有孔的部位的磁通密度，该部分的铁心片重量是无孔部位的（1-x）倍。在磁通密度为1.6～1.7T范围内，铁心片中的损耗可按此式 计算，由上式可以得出，在磁通密度增加的部位的损耗近似增加了1/（1-2x）倍。
3、冷轧钢硅片剪切边缘由于变形和硬化，形成残余的应力区域。被破坏了的晶格织构和排列，延伸到距离边缘几个毫米，增大了磁滞回线的面积，是磁滞损耗增加的来源。冷轧硅钢片的质量越好，对硬化区越敏感。对目前采用的高导磁硅钢片来说，它对机械应力十分敏感。机械应力增大，空载损耗则会明显的增加。
4、硅钢片冲剪毛刺，造成叠片搭接短路，相当于硅钢片的厚度增加，同时降低了这叠片的填充系数，磁密上升，涡流损耗明显增加。
四、对比产品分析
通过实际产品对比铁心接缝对变压器空载损耗影响，特选取两台对比产品，产品1以二级接缝为主，拼片13级，保留6级整料，拼片级采用二级接缝，每级步进30，非拼片级采用五级接缝，每级步进10。产品2以三级接缝为主，拼片12级，保留6级整料，拼片级采用三级接缝，每级步进20，非拼片级采用五级接缝，每级步进10。通过试验对比分析：
可以看出，产品1与产品2铁心结构差异点主要集中在拼片级铁心接缝型式由三级接缝改为二级接缝，以及中柱拼片由鱼头片、八字片改为两片八字片拼接上。
据空载损耗性能研究显示，二级接缝属于交错式接缝其与三级台阶式接缝差距较大，对损耗有一定的提升，其中中柱拼片由鱼头片八字片改为两片八字片无理论依据会导致空载损耗增加。
经计算可得对比产品铁心1.7T磁密的前提下，如采用二级接缝，接缝处的磁通密度为2.4T。由于硅钢片的磁通密度达到1.9T时已经饱和，使用有一部分磁通被迫通过接缝间隙，如此将导致空载损耗增大。如采用三级接缝，接缝处的磁通密度为1.8T，并未达到饱和磁密。
除此之外不同接缝型式对铁心叠装质量有一定的影响，二级接缝片间单缝离缝较大，叠片过程拼接数量多更难以保证质量，有可能导致空载损耗增加。
综上所述，产品1空载损耗高于产品2，其有两个原因，一是产品铁心拼片级由原来的三级接缝改为了二级接缝，造成了空载损耗增加。二是铁心接缝型式改变导致叠装质量不高，进而导致铁心薄厚不均，有可能个别处存在片间短路导致空载损耗整体增大。
五、结论
通过以上分析，試验和估算结果表明，为提高变压器铁心中的空载性能，推荐采用全斜接缝无冲孔的接缝型式，并采用至少3级的接缝数量。由此可以减少磁通的垂直压轧向分量，避免铁心局部磁密升高，充分利用冷轧硅钢片电磁性能的各向异性优点，从而降低损耗，提高铁心质量指标。
参考文献
[1] 刘传彝.电力变压器设计方法与实践[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.
[2] 崔立君.特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1996.
[3] 路长柏.电力变压器理论与计算[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.
关键词：变压器;接缝型式;铁心;空载性能;空载损耗;
一、引言
变压器的空载性能是变压器的主要性能指标之一，直接关系着变压器产品质量优劣，并间接影响着变压器励磁涌流和磁致噪声。所以对变压器铁心空载性能的分析尤为重要。而影响变压器的空载损耗的因素有很多，其中铁心接缝型式是影响其空载性能的关键因素之一。
二、铁心接缝型式
铁心接缝按接缝型式与各厂制造工艺有关，不同制造厂为方便设计、制造有一套的片型、步进、定位原则。目前大部分厂家采用的是5级接缝型式。对于步长、定位方式各厂有一定的差别，以下举例其中一种接缝原则：
（1）各级默认采用的是5级接缝型式一片一叠，每级步长10，所有片形均开定位孔，孔径为Φ16。
（2）当心柱片宽较大时采取拼接方式，三级接缝，两片一叠每级步长20，不开定位孔。
（3）对于大容量产品铁心压轭结构，当心柱切角出台时，心柱硅钢片也采取拼接方式，二级接缝两片一叠每级步长30，不开定位孔。
（4）具有纵向铁心油道的铁心采用二级接缝，两片一叠每级步长30，片子去尖出台不开定位孔。
三、硅钢片电气与机械性质
不同接缝型式对空载性能的影响是由硅钢片固有特性导致的，目前国内外变压器铁心通常采用低损耗高导磁率的冷轧硅钢片，它具有以下特点：
（1）冷轧硅钢片有明显的方向性，即沿不同的磁通方向导磁时，硅钢片有不同的损耗值。经试验证明：垂直硅钢片轧制方向导磁时比顺向的损耗大三倍以上。
（2）同热轧硅钢片相比，冷轧硅钢片的涡流损耗占的比例较大，这是由于冷轧硅钢片的含硅量比热轧硅钢片低，从而降低了电阻系数的缘故。冷轧片的磁滞损耗与涡流损耗的比例大约为1：1，而热轧片大约是4：1。
（3）冷轧片对机械应力十分敏感，即随着机械应力的增加磁滞损耗和涡流损耗都要大幅度的增加。
不同的接缝型式可能导致铁心中磁通的分布不均以及在接缝处产生绕行现象，这是铁心损耗增大的主要因素。另外，不同的接缝型式对于铁心加工程度有所不同，而硅钢片的机械加工会导致硅钢片硬化、铁心片边缘冲剪毛刺的搭接，也将导致铁心空载性能变化。
根据多台产品试验数据和理论分析，得出的大致的关系如下：
1、铁心的叠片接缝形式决定了硅钢片的导磁方向和磁通行走路径。对于大，中型变压器来说，边柱和中柱全部采用半直半斜接缝，要比直接缝的空载损耗下降10%～15%，空载电流下降30%～50%左右。若边柱和中柱全部采用斜接缝，将比直接缝的空载损耗下降15%～25%，空载电流下降50%～100%。
2、为方便铁心叠积铁心片冲孔后，不仅局部减少了有效截面积，提高了磁通密度还会使磁通产生绕行现象，产生横向磁通分量，涡流损耗和磁滞损耗都明显增加。试验已经指出：损耗的增量ΔP%与孔数n成正比关系，而与相对孔径近似成平方关系增加。
在铁心有孔的情况下，设铁心片宽为1，孔的直径是1的x倍，如上图2所示的截面a处，有空部位的铁心宽度为1-x，该部位的磁通密度为B/（1-x），其中B是没有孔的部位的磁通密度，该部分的铁心片重量是无孔部位的（1-x）倍。在磁通密度为1.6～1.7T范围内，铁心片中的损耗可按此式 计算，由上式可以得出，在磁通密度增加的部位的损耗近似增加了1/（1-2x）倍。
3、冷轧钢硅片剪切边缘由于变形和硬化，形成残余的应力区域。被破坏了的晶格织构和排列，延伸到距离边缘几个毫米，增大了磁滞回线的面积，是磁滞损耗增加的来源。冷轧硅钢片的质量越好，对硬化区越敏感。对目前采用的高导磁硅钢片来说，它对机械应力十分敏感。机械应力增大，空载损耗则会明显的增加。
4、硅钢片冲剪毛刺，造成叠片搭接短路，相当于硅钢片的厚度增加，同时降低了这叠片的填充系数，磁密上升，涡流损耗明显增加。
四、对比产品分析
通过实际产品对比铁心接缝对变压器空载损耗影响，特选取两台对比产品，产品1以二级接缝为主，拼片13级，保留6级整料，拼片级采用二级接缝，每级步进30，非拼片级采用五级接缝，每级步进10。产品2以三级接缝为主，拼片12级，保留6级整料，拼片级采用三级接缝，每级步进20，非拼片级采用五级接缝，每级步进10。通过试验对比分析：
可以看出，产品1与产品2铁心结构差异点主要集中在拼片级铁心接缝型式由三级接缝改为二级接缝，以及中柱拼片由鱼头片、八字片改为两片八字片拼接上。
据空载损耗性能研究显示，二级接缝属于交错式接缝其与三级台阶式接缝差距较大，对损耗有一定的提升，其中中柱拼片由鱼头片八字片改为两片八字片无理论依据会导致空载损耗增加。
经计算可得对比产品铁心1.7T磁密的前提下，如采用二级接缝，接缝处的磁通密度为2.4T。由于硅钢片的磁通密度达到1.9T时已经饱和，使用有一部分磁通被迫通过接缝间隙，如此将导致空载损耗增大。如采用三级接缝，接缝处的磁通密度为1.8T，并未达到饱和磁密。
除此之外不同接缝型式对铁心叠装质量有一定的影响，二级接缝片间单缝离缝较大，叠片过程拼接数量多更难以保证质量，有可能导致空载损耗增加。
综上所述，产品1空载损耗高于产品2，其有两个原因，一是产品铁心拼片级由原来的三级接缝改为了二级接缝，造成了空载损耗增加。二是铁心接缝型式改变导致叠装质量不高，进而导致铁心薄厚不均，有可能个别处存在片间短路导致空载损耗整体增大。
五、结论
通过以上分析，試验和估算结果表明，为提高变压器铁心中的空载性能，推荐采用全斜接缝无冲孔的接缝型式，并采用至少3级的接缝数量。由此可以减少磁通的垂直压轧向分量，避免铁心局部磁密升高，充分利用冷轧硅钢片电磁性能的各向异性优点，从而降低损耗，提高铁心质量指标。
参考文献
[1] 刘传彝.电力变压器设计方法与实践[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.
[2] 崔立君.特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1996.
[3] 路长柏.电力变压器理论与计算[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.