旁轭和铁心柱
铁轭形状
壳式
带旁轭式
— 特种变压器
不带旁轭 (三相三柱) 式
叠片式
平面 布置型
心式 带旁轭 (三相五柱) 式
电力变压器 —
配电变压器 大型变压器 — 组合变压器
立体 布置型
卷铁心 叠片式 卷铁心
带旁轭 (三相四柱) 式
— 组合变压器
不带旁轭 (三相三柱) 式 — 配电变压器
带旁轭 (三相四框) 式
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
一般用途
卷铁心最早使用于电子变压器 ,特别适用于单 相变压器 ,参见文献[ 2 ] 。采用晶粒取向硅钢带卷制 成的单相卷铁心结构能保证规定的取向方向与磁通 流通方向相同 ,从而使材料的优良特性得到完全发 挥 。必须指出 :连续式卷铁心由硅钢带不间断连续 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 。
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
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
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 优质冷轧硅钢片铁心材料取代热轧硅钢片 ,7 型系 列低损耗变压器逐步取代了高能耗和较高能耗变压 器 。至 90 年代末期 ,随着冷轧硅钢片材料性能的提 高以及新工艺 、新技术的应用 ,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 。
根据铁心制造的工艺特点 ,变压器铁心可分为 叠片式和卷铁心两种 (渐开线式铁心已淘汰) 。叠片 式铁心一般为平面布置型 ,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
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 。
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/ 3 ,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
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
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
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
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
在早期 ,曾将卷铁心技术推广到立体布置型三 相三柱式星形铁轭的铁心 ,这种结构与渐开线式铁 心一样 ,由于星形铁轭接缝处气隙较大而没有被采 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 。
(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 (退火合格率对硅钢片卷铁心至关 重要) ,足以弥补三相卷铁心结构缺陷的影响 。因 此 ,为了充分利用卷铁心成熟的制造工艺 ,可用常规 取向硅钢片卷制铁心 。 5. 3 结构探讨
第
38 卷 第 7 2001 年 7 月
期
变压器 TRANSFORMER
Vol. 38
J uly
No. 7 2001
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
第 7 期 张国兵 :三相变压器铁心结构分析 2 5
4. 2 叠片式与卷铁心比较 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 。
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 。
(3) 对组合式变压器 ,为降低铁心高度 ,或满足 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 。
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
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) 与三相铁心柱一般呈立体对称布 置 ,铁轭通常呈三角形 。
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 。
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 、
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 。
带旁轭式铁心 ,材料消耗多 ,但并不能提高铁 心空载性能 。相反 ,旁轭为三次谐波磁通提供了通 路 ,致使铁心磁通极易发生畸变 ,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 。
— 非晶变压器
不带旁轭 (三相三柱) 式 三角形 组合变压器
不带旁轭 (三相三柱) 式 三角形 配电变压器
带旁轭 (三相六柱) 式 三角形 配电变压器
3 三相铁心结构特点简述及分析