五级叠片铁心变压器的空载性能

　　五级叠片铁心变压器的空载性能商亚非（新疆特变电工股份有限公司变压器厂，新疆昌吉8 0）分析了五级接缝铁心降低空载损耗、空载电流及噪声的机理，指出铁心采用五级接缝铁心结构能够大幅度提高变压器的空载性能。

　　1前言降耗是变压器的一个发展方向，而通过改进铁心叠片结构降低空载损耗正是降低变压器损耗的一个主要途径。一些发达国家变压器厂普遍采用五级接缝铁心技术，其与我国传统的二级接缝相比，铁心的空载性能有了明显的改善。我厂1998年技术改造时引进的德国乔格公司tba m h800×5 000型全自动铁心横剪线，用于加工硅钢片，剪切最大长性可完成±45°三种角度的片型加工，能够自动剪切完成三、五、七级接缝硅钢片。采用五级接缝铁心结构之后，我厂产品的空载性能，如空载损耗、空载电流都有了较大幅度的下降，噪声水平也有了一定程度的降低。尤其在大容量产品上效果更为明显。本文对五级接缝铁心的结构形式、降耗机理及产品的节能效果加以简单介绍。

　　2五级接缝铁心结构和特点我们知道，变压器的空载损耗主要由基本损耗、接缝损耗及剪切边损耗组成。除基本损耗外，接缝损耗所占的比例较大，剪切边损耗较小。接缝损耗与局部磁通密度，尤其是接缝区域密切相关的磁通密度。由于受到接缝间隙的影响，局部磁密升高，导致铁心局部损耗增加。因此，减少这种影响也是降低损耗的一个有效途径。

　　目前，国内变压器生产厂家铁心普遍采用二级或三级接缝叠片，铁心叠片按一定距离相互错开，在交错区域内形成两条平行的接缝，铁心接缝处磁通分布如图1所示，图中细实线为一条磁力线，虚线为半条磁力线。

　　其中两个对应的接缝跨接一层叠片。由于空气的磁阻比硅钢片的磁阻高几千倍，因此，叠片中的磁通大部分从跨接叠片中通过。另外，磁通是沿着45°角接缝通过，由于接缝处的面积为心柱截面积的2倍，所以接缝区磁密为铁心柱中磁密的2 2倍。但是，在两个接缝硅钢片的末端，磁通大部分经过一层跨接叠片通过，该层跨接叠片末端磁密为：式中b心柱中磁密如果采用图2所示的三级接缝铁心，其中两个对应的接缝间隙跨接两层叠片，则在三个接缝硅钢片末端的磁通经过两层跨接叠片通过，每层跨接叠片的末端处的磁密为：变压器依此类推，局部磁通密度b与接缝数量n的关系为：由于铁心中接缝区的损耗及空载电流与磁密b的近似关系可以写成是与硅钢片及频率有关的常数。将式（ ）代入式（4）、式（5），可以得出接缝区中的局部损耗和空载电流与铁心接缝数量n的近似关系为：例如，变压器的工作磁密为1 .75t ，由式（1）得出接缝跨接叠片中的磁密为2 .47t.目前变压器采用的冷轧硅钢片的磁密1 .9～1 .92t已经饱和，这就导致了接缝区域内空载损耗及空载电流急剧增加。

　　由式（6）、式（7）可以看出，随着铁心接缝级数的增加，铁心接缝区域内的空载损耗和空载电流逐步降低，但局部损耗和空载电流降低的幅度将越来越小。

　　但是，叠片种数随着叠片级数的增加而增加，硅钢片的剪切和铁心叠装的生产效率将降低，这一矛盾只有通过先进的硅钢片剪切设备、先进的叠装工艺及选择合适的接缝级数来解决。经过近两年生产实践，我们认为kv级变压器采用单片叠五级接缝是比较合适的，其生产效率比普通二级或三级接缝要高，完全能够满足生产的需要。现比较一下五级接缝与三级接缝局部损耗与空载电流的差别。

　　按式（4）、式（5）可以得出，五级接缝（工作磁密普通三级接缝：则五级接缝铁心较三级接缝铁心的局部损耗及空载电流降低的百分数为：变压器的空载损耗可以写成p =k式中p取决于铁心材质、磁密和频率的单位损耗，w kg铁心重量，kg取决于铁心的结构形式及制造工艺水平的附加系数对于冷轧硅钢片， k值一般取1 .1～1 .2，铁心直径小者取大值，对于kv级产品一般取1 .12.

　　根据式（12）的计算结果，空载损耗的附加系数应取1 .08左右，但由于我厂铁心叠片采用一片一叠，有效地减少局部区域的涡流损耗，再加上铁心片剪切毛刺非常小，使铁心接缝较小，所以空载损耗的附加系数一般取1 .05左右，并且在多台产品中得到了验证。从以上可以看出，五级接缝铁心的空载损耗比三级接缝铁心平均降低5 ～8 ，空载电流下降了 0 以上，其节能效果是非常显著的。

　　五级接缝铁心的其它特点五级接缝铁心叠片与传统的二级或三级接缝相比，除能够较大幅度降低空载损耗和空载电流以外，还具有以下特点。

　　.1噪声低变压器的噪声主要来源于硅钢片的磁致伸缩，但硅钢片接缝和叠片间的磁吸力也是产生噪声的原因之一。其噪声的大小取决于接缝间隙的长度和磁密的大小。根据有关方面的资料，接缝气隙的磁场能量微分形式为：式中b接缝间隙中磁通密度，t空气中磁导率，h m磁场能量所做的功da =fdl ，则（b由此得出磁吸力式中s铁心接缝面积，m由此引起叠片伸长应变式中e硅钢片弹性模量根据沈变所的研究，其相应的声强级式中l铁心叠片接缝间隙长度，cm假定变压器的工作磁密为1 .7t ，三级接缝间隙长度为0 .05cm ，三级接缝间隙磁密约为0 .4t ，则从变压器可见，五级接缝铁心较普通三级接缝铁心的噪声降低 db左右。对传统二级、三级接缝叠片，接缝某一断面的气隙比较集中，较大的交变电磁力作用在铁心中，引起较强的振动声音然而在五级接缝铁心中，接缝区内某一断面的接缝气隙大大减少，磁力线能顺利地进入相邻的叠片，空载电流也大幅度降低。同时作用在轭片上的电磁力就很小，在接缝区域内的电磁力的作用使叠片被压紧，这样，变压器的噪声就明显地降低了。

　　.2生产效率高目前，国内许多变压器生产厂家为降低空载损耗和噪声，通常铁心采用一片一叠三级接缝叠片结构。由于受到硅钢片横剪设备的限制，单台变压器铁心剪切总次数增加，铁心叠装工时也延长了，致使生产效率降低。我厂采用最新铁心横剪设备，使铁心剪切效率大幅度提高，最多可实现七级单片叠接缝。考虑到铁心叠装及插片的工艺性，我厂采用五级单片叠接缝结构。铁心片冲有υ20定位孔，叠铁心时直接码装就可以了，生产效率有了很大的提高。

　　. 节约材料由于采用先进的铁心横剪设备，使硅钢片的剪切毛刺小于0 .0 mm ，再加上工人素质较高，使铁心的叠装偏差小于2mm ，接缝间隙非常小。铁心截面经优化设计，使我厂变压器绕组至铁心的套装间隙由原来的5mm降至现在的2 .5mm ，变压器电磁线用量得以降低。由于我厂每年生产kv及以上变压器100台左右，其节材效果是非常可观的。