变压器铁心结构与性能概述

变压器铁心结构与性能概述
【摘要】介绍了沈阳华美变压器近几年来不同电压等级的变压器铁心的材料、结构、制作等相关方面，由此了解变压器铁心的设计理念、在变压器运行中的作用、及设计过程中所需要注意的关键项点。

【关键词】变压器铁心结构性能
一、引言
自从匈牙利冈茨工厂于1885年制造出第一台单相变压器雏型以来，至今已100多年了，由于电能是能量输送的最好形式，所以变压器诞生不久就获得了应用。

随着现代城市的发展，科学技术的发展以及各行各业对电力的需求逐年增加，电力事业获得了飞速的发展。

尤其是近几年来，国家电网的建设逐年加快。

而在电网建设中，变电站是联系电网的纽带，是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施。

变压器作为电能转换的媒介是变电站的主要设备，变压器性能的好坏会直接影响到整个变电系统的整体运行，而铁心是变压器的磁路和骨架，故铁芯的性能在整个变压器构造中尤为重要。

二、铁心的结构
（一）概述。

变压器室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、木件、分接开关和其他一些组件。

（二）铁心的结构与应用范围。

从结构型式总体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，帮扎和夹紧要求较高，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，是我国变压器制造厂多采用此种结构形式的原因。

目前我公司常用的几种心式铁心的结构特征和适用范围归纳如下：
1.单相双柱式
铁心柱和铁轭截面相同，在同一垂直平面内，以交叠方式叠积。

两个铁心柱上均可套绕组，两个铁心柱上的绕组既可互相串联也可并联。

结构简单而紧凑，工艺装备少，但叠积工作量大。

适用于中小型单相变压器。

2.三相三柱式
此种结构比单相两柱式多了一个心柱，铁心柱和铁轭的截面相同，三个铁心柱中的磁通量近似相同，相互间的相位差为120度。

三柱绕组各自为一组引出，它是变压器的典型结构，是目前应用最为广泛的，无论在大中小型三相变压器或是一些特种变压器上均广为应用。

在这种典型的结构中铁轭除了常用的圆形轭、D形轭，还有一种我们公司自主创新的矩形轭。

一般特大容量的变压器为了降低铁心高度，以便使变压器能够通过运输外限，往往需要采用带旁轭的三相铁心，既后面提到的三相五柱式结构，但是这种结构不但增加了变压器的空载损耗，也增加了变压器的制造成本，为此，我们提供了一种变压器矩形轭，这种铁心轭在保证轭的截面积不变的情况下，可以整体降低主级片的高度，进而降低了变压器的整体高度，减少了硅钢片的用量，减小了油箱体积，钢材与变压器油的用量也随之减少。

这种铁心轭叠装也更加简单、方便，减少了变压器的制造难度。

使变压器的生产成本、空载损耗和运行成本都得到了降低，同时又保证了变压器的运输尺寸不超过国家表准规定的大件物品公路运输界限。

3.三相五柱式
中间为心柱，两旁为旁轭，铁轭截面为铁心柱截面积德（1/2-2/）。

与三相三柱式铁心结构相比，可满足大型变压器降低铁轭高度的要求。

只在中间三个铁心柱上套装绕组。

适用于大型三相变压器以及某些特种变压器。

4.单相单柱旁轭式
中间为心柱，两边为旁轭，轭的截面为心柱截面的一半，也称中柱式铁心，附加损耗小。

与单相双柱式铁心结构相比，可减小铁心片宽度的一半，故可降低变压器运输高度。

在中间铁心柱上套装绕组，但在旁轭上也可套装调压绕组和励磁绕组，但是叠装工作量较大，适用于大型单相变压器以及某些特种变压器。

5.单相环形卷铁心
采用一定宽度的硅钢片连续绕制而成，磁通符合轧制方向，导磁性能好，但绕组须用专用设备在其上直接绕制。

适用于电流互感器、接触式调压器。

（三）铁心及部件的整体结构。

铁心除了由电工硅钢片制成的铁心本体外，还包括其他的附属零件，使铁心组成一个整体，主要分为三部分：一是铁心主体，作为磁导体，由电工硅钢片叠积而成；二是紧固件，包括夹件、拉板（拉螺杆）、拉带、聚酯帮扎带（玻璃帮扎带）、垫脚、上梁、侧梁和垫块等；三是绝缘件，包括拉板绝缘（纸板）、夹件绝缘、垫脚及上梁绝缘、侧梁绝缘等。

目前的铁心柱大部分采用环氧玻璃钢带帮扎固定。

根据铁心直径大小和变压器具体技术要求，夹件部分可以采用拉板式、夹板式、槽钢型式和直板型式。

三、铁心的一点接地
铁心必须一点接地。

铁心及其金属结构件在绕组的电场作用下，所处电场位置不同，所产生的电位也会不同，与油箱的电位也不同。

当两点电位差达到能够击穿两者之间的绝缘时，便相互之间产生火花放电。

这种火花放电是断续的，放电后两点电位相同，即停止放电；再产生电位差，再放电。

断续放电的结果一方面使变压器油分解，并容易将固体绝缘损坏，导致事故的发生；一方面无法确认变压器在试验和运行中的状态是否正常。

为了避免上述情况的出现，铁心及其他金属件必须与油箱相连接，然后接地，使它们同处于等电位，同时要确保电气接通。

如果有多余点接地时，短接回路中就会有感应环流，接地点越多，环流回路就越多，环流就越大。

有一个这样的环流回路，电流也可能由接近于零上升到十几安培。

这样铁心就会产生局部过热，接地片可能烧坏而产生放电，对变压器安全运行非常不利。

因此铁心必须一点接地。

目前，广泛采用在铁心片间放一铜片的方法接地。

尽管每铁心片间有绝缘膜，仍然可以认为整个铁心是电容接地。

四、铁磁材料的基本特性
通常，对变压器所用铁磁材料主要有下列要求：
（一）单位重量的铁耗尽可能低，以节省能耗；
（二）设计磁密高，磁化特性好，不易饱和；
（三）加工容易，机械性能好；
（四）电阻率高，尽量减小涡流损耗；
（五）叠片系数高，以增加有效的导磁面积，相应降低损耗，通常叠片系数每提高1%，损耗可降低5%左右；
（六）价格经济合理。

早期应用于变压器的硅钢片都是热轧硅钢片，二次世界大战后，冷轧硅钢片
有了飞速发展并被广泛应用于变压器，此后又出现了晶粒取向的硅钢片，这种硅钢片在磁通的流动沿着轧制方向时，可大大降低铁耗。

不久又发展为高导磁（HI-B）的取向硅钢片，它是利用激光照射以减少磁化曲线面积的原理来降低磁滞损失的，这种优质的硅钢片可使铁耗再进一步降低。

另外，为了减少涡流损耗，硅钢片的厚度也从早期的0.5mm不断降低。

但是，越是性能好的硅钢片，其单价也越高。

目前我公司所使用的硅钢片厚度基本上为0.35mm和0.3mm。

五、结束语
我国的变压器制造工业，自建国以来，随着国民经济建设的发展，特别是随着电力工业的大规模发展而不断发展。

20世纪50年代发展到110KV级；60年代发展到220KV级；70年代发展到330KV级；80年代发展到500KV级。

在我国变压器制造工业发展过程中，变压器结构与性能均在不断改进和提高，铁心作为变压器的一部分，同时也在不断地改进与提高。

开始生产变压器时，铁心采用的是单位损耗较大的热轧硅钢片，叠片采用直接接缝，铁心柱采用螺杆夹紧的结构，所以硅钢片的利用率低，空载性能较差。

随着冷轧硅钢片的发展，我国已改为采用冷轧硅钢片制造铁心，而铁心的叠级方式也已由直接接缝过渡到全斜接缝、小型变压器采用卷铁心。

铁心柱采用了环氧玻璃钢带帮扎固定，铁轭采用夹件及侧梁、拉带等夹紧，而铁心的拉紧也由拉螺杆逐渐改由拉板所替代。

铁心材质与结构的改进，使得变压器性能得到了很大的改善。