摘要：常规电力变压器设计中，铁心的级数通常根据铁心柱直径查设计手册确定，并采用作图法得到各级叠片的宽度和厚度，线圈截面利用率较低。针对以上现状，从电力变压器的性能与节省材料方面考虑，通过分析电力变压器铁心柱结构特点，建立了非线性回归整数规划模型，利用MATLAB软件编程求解得到了电力变压器铁心柱截面的优化方案。本文论述了变压器铁心柱截面优化的设计计算方法。
关键词：变压器；铁心；设计
一、铁心的结构
1、铁心概述
变压器是根据电磁感应原理制造的，磁路是电能转换的媒介。铁心是变压器的磁路部分，主要作用是导磁，由磁导率很高的冷压电工钢片（硅钢片）制成。变压器一个绕组通以很小的励磁电流，在铁心中可产生很大的交变磁通，感应出所需要的电势。另外，铁心是变压器的内部骨架，它的心柱上套装各个绕组，支持着引线、绝缘件、分接开关和其他一些组件。
2、铁心的结构与应用范围
从结构型式上通常可分为壳式铁心和心式铁心。壳式铁心一般是水平放置的，铁心截面为矩形，每柱有旁轭，铁心包围了绕组，所以称壳式。这种铁心的铁心片规格少，铁心紧固方便，漏磁通有闭合回路，附加损耗小。但与其匹配的矩形绕组制造困难，短路时绕组易变形。心式铁心一般是垂直放置的，铁心截面为分级圆柱形，绕组包围心柱，所以称心式。铁心片规格较多，绑扎和夹紧要求较高，但与其匹配的圆筒形绕组制造方便，短路时稳定性好。无论是心式还是壳式铁心，均可用于各种容量与各种电压等级的变压器中。但在容量相同、损耗相同的心式与壳式变压器中，其铁心尺寸是不同的。壳式的铁心柱截面积通常比心式的铁心柱截面积约大一倍，而铁心柱却相应地被减少了。但是心式铁心的装配及修理均较方便，且绕组机械强度较高，这是我国变压器制造厂多采用此种结构形式的原因。
二、约束条件
变压器的心柱截面一般采用多级圆形截面，为了提高心柱截面的利用率，必须增大心柱的几何截面与外接圆截面的比例。为达到此目的，有两条途径，其一是提高叠压系数，其二是在给定直径D时，增加多级圆形截面的几何面积。提高叠压系数，受到工厂剪切、叠压等工艺条件限制，在一定工艺水平下，它是一个常数。然而在给定直径下，增大铁心几何截面积确实一个较为有效的办法。采用优化设计的方法，在给定直径时，铁心的多级圆形截面的几何面积达到最大。如果通过优化，能使给定直径的圆形几何截面积增大1%，其意义也是很大的。假设原铁心中磁密1.74T，比较饱和，而优化后，截面增大1%，则磁通密度可下降至1.72T，饱和情况会得到较大的缓解。
三、变压器铁心柱截面的传统设计方法
铁心柱的截面设计是电力变压器设计的一个重要环节。电力变压器铁心柱通常在圆形线圈内，为了充分利用线圈内圆形空间，铁心柱截面被设计成上下轴对称的多级阶梯。设计中，通过合理选择各阶梯矩形尺寸，力争使铁心柱截面几何面积最大。当圆形线圈的直径一定时，铁心柱级数愈多，截面积愈大，变压器的性能越好，但级数过多会造成硅钢片的规格繁杂，制造工时增加，因此需要综合考虑铁心柱的利用系数和制造工艺问题。设计大直径多级铁心柱的传统方法一般采用作图法，即在图纸上经过反复核算，画出较好的铁心截面积设计方案，来确定铁心直径，铁心直径确定后，铁心截面各级硅钠片宽度和叠厚的尺寸就根据设计手册唯一确定。铁心柱直径与级数的经验对应关系通常是按照铁心柱直径所处的范围来判断铁心柱的级数。为了衡量电力变压器铁心柱截面填充系数，一般选择填充系数为铁心的实际几何截面积（硅钢片的横截面积）与外接圆的面积的比值。填充系数越大，说明铁心设计的越合理。
四、铁心柱截面优化设计
铁心截面优化有以下三方面内容：
（1）对应于某铁心直径的级数不变时，在该直径下多级圆形截面的几何面积达到最大。
（2）级数增加一级，若给定直径的最大几何面积较原级数对应的几何面积有较大增加，可以考虑增加一级。
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（3）级数减少一级，若给定直径的最大几何面积较原级数对应的几何面积无明显减少，可考虑减少一级。
铁心是变压器的导磁部分，其对硅钢片导磁材料的消耗相当大，对变压器的圆形铁心柱截面进行优化设计有利于提高铁心导磁材料的利用率。铁心截面优化设计的目的是为了在方案设计时选取合适的铁心直径参数，并方便地将磁通密度调整到合适的范围。一般铁心圆形截面设计是根据制定好的设计原则，预先设计出一组变压器铁心截面和各级尺寸宽厚，并制作成通用的参数表。在设计变压器时，选定铁心直径后通过查询铁心参数表即可。这种直径分档设计方法操作起来非常方便，但磁密的调整几乎不可能。为了减少磁密选择的难度，提高变压器铁心材料利用率，铁心直径分档应当更细些，如以2mm或lmm为一档，这种分档方式使得铁心截面积幅度变化减小。这样，在每匝电势值保持恒定情况下，可通过调整铁心截面积的大小来调整磁密，达到优化目的。
对于给定直径的截面，采用片宽尾数为0或5的硅钢片叠积得到的铁心面积并不一定是最大的。在铁心片不超过标称直径的前提下，增加铁心截面积的途径主要有增加铁心片级数和增加铁心片级宽个数两种方式。
在同样直径下，增加级数可以获得更大的有效面积，但是级数增加要有限度，因为级数增加到一定程度，其对截面积的影响微乎其微。另外，为了提高铁心截面利用率，减少铁心面积变化的幅度，建议采用片宽为5的倍数，甚至是2的倍数硅钢片。
五、提高变压器铁心制造工艺水平的策略
1、提高变压器铁心制造工艺水平的策略
（1）细化铁心制造工艺，提高工序加工质量的监控力度，将实际生产状况及时反馈给生产调度部门。对于不合格产品的筛选要贯穿到整个生产线，及时发现，从而减少无效工序，提高生产效率。
（2）将过往“定性”的技术指标通过科学化的计算使其细化，更好地为生产人员提供依据。在对铁心的质量进行检验时，合理选用仪器，通过定值显示来精确测定产品的合格率，同时国家应该制定相应的检验规范，避免因为检验规范不统一，出现质量检测无可靠依据，面对问题互相扯皮等现象。
（3）将先进的技术融入到铁心的制造中，比如说科技含量高的强力磁盘技术，从技术上优化制造工艺以提升铁心质量。将微机技术引入铁心的检测中来，提升数据的可靠性以及科学性。
2、变压器铁心接地故障的检测
（1）规范检查工作。电力变压器在安装之时必须记住翻转或者拆除定位钉，认真仔细地检查各个零部件是否大小得当、长度是否合适、是否一点接地等。
（2）做好清理工作。在电力变压器制造、安装和大型修改后，对内部的零件彻底清理，避免有任何一个多余的金属丝甚至是极小的金属粉末遗留在变压器内部。
（3）做好油箱清理。在变压器运行工作中对冷却器和油泵例行检查，防止变压器铁心局部过热而损耗寿命，避免金属间摩擦而产生的粉末颗粒随油进入油箱，经过日积月累后有过多的粉末在油箱内，若是如此，最后将不可避免发生多点接地的现象。
（4）加强运行的监控。做到发现电力变压器铁心接地故障问题就能及时采取补救措施，或者发现有可疑因素的存在时就展开检测，做到对电力变压器铁心接地故障的防患于未然。
结束语
在变压器的产品设计中，铁心截面设计非常关键，为了达到节材降耗的目的，应对铁心直径更细分档，并使某一直径的铁心截面最大化，这对于规模较大的中小型变压器厂尤为重要。
参考文献：
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[2]杨驹丰，黄文新，蒋雪峰.电力变压器铁心优化设计分析软件的开发[J].变压器，2014，51（03）
[3]周文洲，覃金南.电力变压器铁心柱截面的优化设计[J].科技视界，2014（10）
论文作者:雷佳音
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/27
标签：铁心论文; 截面论文; 直径论文; 变压器论文; 级数论文; 绕组论文; 几何论文; 《电力设备》2018年第35期论文;