为了降低变压器运行过程中的损耗, 提高变压器的工作效率, 现对变压器的铁心进行合理改进。本文通过研究矿用变压器磁路系统, 为了便于变压器在井下运输及使用, 提出了降低铁心高度的方法[2]。通过对铁心的结构进行研究, 发现变压器运行过程中有一定比例损耗产生于空载过程, 针对这一问题, 提出相应措施来提高变压器效率, 降低损耗。

1 铁心结构的选择

变压器铁心有很多样式, 但对于矿用变压器来说, 必须根据井下实际环境以及变压器的外观尺寸来合理选择变压器的型号[3]。一般选用三相叠片式或三相卷绕式的铁心用于矿用变压器中, 其中前者使用比较广泛。

矿用变压器三相铁心具有如下特点:三个铁心柱两两之间相位相差120°, 三者中的磁通量大致相同, A相和B相磁路相同, 大于C相磁路, 导致三相磁路不对称。三相三柱式铁心的零序磁通和三次谐波磁通呈现开路状态。另外, 三相三柱式铁心高度较高, 这就需要很大的隔爆外壳, 高度较大的变压器防爆外壳在井下运输和使用都存在很多不便。

与原来的三柱式铁心比较, 三相五柱式的铁心柱截面积至少是铁轭截面积的2倍, 这会使得铁心的高度大大降低, 三相五柱式的矿用变压器隔爆外壳的高度也就相应降低, 这样更加便于井下变压器的运输及使用。

2 矿用变压器磁路系统的分析

对采用三相三柱式铁心的矿用变压器来说, A相、B相与C相磁路不是相互独立的, 当A、B、C三相交流电压与高压绕组相通时, 在高压绕组的作用下, 三个铁心内将产生三相激磁电流, 三相激磁电流的变化将激发出相主磁通ΦA、ΦB和ΦC, 其中磁通具有正弦波特点。A、B、C三相磁路系统中, A相和C相磁路相同, 大于B相磁路。这就造成A、B、C三相磁路系统不是完全对称的。当A、B、C三相磁通量相等时, A相和C相中产生的励磁电流要大于B相中产生的励磁电流, 进而造成三相励磁电流不完全对称, 但是由于额定电流要远HG皇冠于励磁电流, 不对称的励磁电流对矿用变压器的影响可以忽略不计。

相比于三柱式铁心, 三相五柱式的铁心两边的铁心柱没有套绕组, 其中有三个铁心柱上存在三相绕组。没有套绕组的两个铁心柱相当于分支磁路。如图1所示, 分支磁HG皇冠过铁心两侧的旁轭形成闭合通道, 铁心上边的为上轭, 下边的为下轭。铁轭上不同位置磁通分别为Φ1、Φ2、Φ3和Φ4。

图1 三相五柱式铁心和磁通相量图 

磁通相量图表示如图1-2所示, 图中三相系统对称时, 铁轭中的大小为13。由图1-1可知, A、B、C三相磁路系统中ΦA+ΦB+ΦC=0, Φ4=Φ1, 图1-2中, A、B、C三相磁路是完全对称的, 磁通Φ1占ΦA的1/3、Φ2占ΦB的1/3、Φ3占ΦC的1/3。相比于三柱式铁心结构, 五柱式铁心柱截面积是铁轭截面积的

倍。铁心的高度由H1降低为H2。但是三柱式铁心的重量要小于五柱式铁心的质量。

3 降低矿用变压器空载损耗技术措施

变压器空载运行会造成电能很大的损耗。变压器中一个很重要的参数就是空载损耗。对于某一确定的变压器来说, 损耗值只与三部分相关:铁心自身结构、选用的材料以及加工铁心的工艺。与变压器的耗电量无关。变压器空载过程产生的损耗计算公式如下:

式中:Kp0为空载运行过程中的损耗系数;GFe为变压器中铁心的总质量;pt为单位质量的铁心产生损耗。

其中, 损耗系数Kp0的大小与制造过程中使用的工艺有关, GFe铁心质量的值在设计时就已确定。由上述公式可知, 为了降低变压器空载产生的损耗, 提高电能的转化率, 可以从以下三个方面考虑:降低铁心的总质量、减小空载过程损耗附加系数以及单位质量的铁心产生损耗。

3.1 降低空载损耗附加系数方面

为了降低空载损耗系数, 要选择产生损耗比较小的叠片方式。为了改善铁心转角缝隙连接处磁场的分布密度, 降低转角缝隙处旋转磁通的产生, 采用45°全斜接缝、步进式的阶梯叠片方式。同时铁心片采用不冲孔叠装工艺, 并且增加叠片工艺系数。

在变压器生产过程中, 为提高生产质量, 要对生产过程加强管理。要经常检查并更换硅钢片剪切线的刀具, 降低硅钢片边角产生毛刺的可能性。优化改进铁心的叠装过程、装配过程的工艺, 并对其进行定期检查。在铁心绑扎结构上, 为了防止铁轭不断下沉以及铁心向下滑动产生过大的局部损耗, 对铁心心柱和旁轭使用无维玻璃丝粘带进行扎绑固定, 绑扎结构固定方式为:使用肢板结构进行固定或者利用夹件体上的斜孔进行绑扎固定。在夹件结构设计上, 为了降低夹件中产生的涡流损耗, 夹件使用低导磁钢板进行制作。具体结构如图2所示。

图2 轭铁采用夹件钻斜孔的固定方式

3.2 减少铁心总质量方面

对于电压为10 kV的矿用变压器, 在铜耗保持不变的前提下, 为了减少铁心的总重量, 我们可以采用降低铁心窗宽和窗高的方式来实现。H为铁轭和高压绕组之间的距离, 现选取H的距离为70 mm, 这比一些书中提到的理论值要小10～30 mm, 这是由于通过对绕组端部和夹件进行一些工艺处理, 可以大大改善两个端部的电场分布, 进而缩短了铁轭和高压绕组之间的距离。

在绕组浸漆固化的前后, 对窗宽的尺寸进行控制。通过使用工装进行控制绕组外径的尺寸, 来降低因制造工艺产生的误差, 从相间的距离中选择较小的数值, 进而来缩短铁心窗的宽度。另外可以把原来的线圈绕组的形状改为长圆形, 并设置少量的气道沿着绕组相间的方向。由于线圈绕组为长圆形, 也将铁心的横截面设计成匹配绕组形状的长圆形, 如图3所示, 铁心立柱横截面为图中剖面部分, a为最大片宽、b为片级厚度。通过进一步提高片级厚度以及降低片宽的最大值的方法, 来保证铁心的形状呈现长圆形, 这样能够使铁心的形状和线圈绕组的形状互相匹配, 进而降低铁心的窗宽。

图3 铁心横截面为长圆形示意图

3.3 选用单位质量损耗低的优质铁心材料

可以作为变压器铁心的材料有很多种, 其中有非晶合金以及硅钢片等。毫无疑问, 铁心材料品质越好, 单位质量铁心产生的损耗就会越小, 但是单位质量铁心的价格就会越高, 因此需要对铁心质量和价格进行权衡。只要对磁密进行合理计算, 选择合适的磁密, 就能够既保证合理的铁心价格又能够降低变压器的空载损耗, 但是这种方法一定程度上会增加铁心的质量。因此在选择铁心材料时, 需要对铁心材料的价格、损耗以及质量等因素进行综合考虑。

4 结论

为了方便变压器井下运输及使用, 选择高度较低的三相五柱式铁心作为矿用变压器的铁心;为了提高变压器工作效率, 采取降低铁心的总质量、减小空载过程损耗附加系数以及选择单位质量产生损耗比较低的铁心材料三种技术措施。