大容量变压器铁心结构件材料优化
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摘 要：长期以来大容量变压器铁心结构件为了防止局部过热均采用无磁钢制造。无磁钢强度低，体积大，价格高，不易加工的缺点制约着产品优化降本。本文通过计算对比分析大容量变压器高漏磁区铁心结构件的涡流损耗分布，得到了高漏磁区铁心结构件在满足一定条件下，可以采用普通高强度钢替代无磁钢，从而为产品结构材料的优化提供了理论依据。
关键词：大容量变压器；铁心结构件；无磁钢；高强度钢；涡流损耗
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.146
1 前言
目前國内变压器厂家对大容量变压器绕组高漏磁区域内结构件传统上均采用无磁钢制造。虽然无磁钢板有很好的抗磁性，较低的涡流损耗，但强度低，造成结构尺寸规格偏大，而且其材料属性较黏，机加与焊接性能很差，生产效率低下，加之材料价格昂贵，综合而言，经济性能非常差。因此，减少无磁钢在变压器结构件中的应用成为降本增效的有效途径。高强度钢既有高的强度，是无磁钢的3倍，又有良好的机加、焊接性能，可以大幅度提高生产效率，降低成本。以往产品高漏磁区域结构件采用无磁钢是因为计算不准确造成的，只要解决了此问题，并采用新型的磁屏蔽结构，有效的控制磁路，用高强度普通结构钢取代无磁钢是完全可以的。
2 夹件加强板涡流损耗的分析
无磁钢夹件加强板损耗密度分布在其整个厚度上，而普通钢夹件加强板损耗密度分布在其正对线圈的面上，虽然最大涡流密度前者是后者的1/2。但涡流损耗前者反而比后者稍大些。通常认为在相同的漏磁场环境下，无磁钢要比普通钢损耗低，这种观点是片面的。如果考虑到透入深度的问题，即无磁钢的透入深度较大，随着材料厚度的增加则损耗也随之增大，而普通钢透入深度小，当材料厚度超过3mm，随着材料厚度的增加其损耗几乎不再增加。本文中的夹件加强板厚度为32mm，所以，将夹件加强板的材料由无磁钢换成普通钢其热点温度不会有太大的变化。
3 拉板涡流损耗的分析
由于拉板处于铁心截面圆内决定了其厚度不能设计得很厚，否则会减少铁心片的占空比，造成结构不经济。本文中的拉板厚度为12mm，此厚度与透入深度比较起来不是太厚，集肤效应几乎不明显。在相同漏磁场条件下，普通钢材料的拉带涡流损耗肯定要大于无磁钢，而拉板又是高受力构件，需要更高的强度来减小其截面积。无磁钢强度低，无法满足要求。高强度普通钢能够很好的满足受力需求，但一定要与磁屏蔽配合使用，否则会发生局部过热。下面就有无嵌入压板式磁屏蔽时，对拉板涡流损耗密度分布情况进行了对比。由计算结果可知：拉板涡流损耗集中区域出现在隔磁槽部位上侧，无嵌入压板磁屏蔽时，普通钢拉板的最大涡流损耗密度为7.05×106W/m3，涡流损耗为808W。有嵌入压板磁屏蔽时，普通钢拉板的最大涡流损耗密度为3.33×106W/m3，涡流损耗为522W。前者比后者涡流损耗密度大了2倍多，总损耗大了1.5倍多，因此普通钢拉板必须配合嵌入式压板磁屏蔽使用，否则会有局部过热的风险。
4 拉带涡流损耗的分析
由于拉带占据窗内空间决定了其厚度不能设计得很厚，否则会增加铁心窗高，浪费材料。本文中的拉带厚度为10mm，此厚度与透入深度比较起来不是太厚，集肤效应几乎不明显。在相同漏磁场条件下，普通钢材料的拉带涡流损耗肯定要大于无磁钢，而拉带又是高受力构件，需要更高的强度来减小其截面积。无磁钢强度低，无法满足要求。高强度普通钢能够很好的满足受力需求，但拉带因自身空间位置距离嵌入压板磁屏蔽较近，容易发生局部漏磁集中，造成局部过热，因此，大容量高阻抗变压器窗内拉带到磁屏蔽的空间距离要有综合考量，太远结构不经济，太近容易发生局部过热。下面就拉带到压板式磁屏蔽的距离差一根拉带时，涡流损耗密度分布情况进行了对比。拉带距离磁屏蔽100mm时损耗为209.34W，50mm时损耗为405.52W，后者比前者涡流损耗大了将近2倍，因此大容量变压器普通钢拉带到嵌入式压板磁屏蔽的距离一定要有综合考量，否则会有局部过热的风险。
5 结论
本文以实际变压器为背景，通过软件计算分析了高漏磁区域铁心结构件采用高强度导磁钢代替无磁钢的可行性，得到了一些启示和结论：
（1）夹件加强板由于自身结构较厚，采用普通钢板集肤效应明显，在高漏磁区域容易达到涡流损耗饱和，造成其与相同尺寸无磁钢的涡流损耗相差不大，只是在涡流损耗密度分布上要比无磁钢集中，从而热点温度要稍高些，一般为4-5K，这在工程是完全可以接受的。因此，在高漏磁区域普通钢结构件越厚，其与无磁钢热点温度的区别越不大，越可以采用高强度钢替代无磁钢。
（2）拉板、拉带由于自身结构较薄，采用普通钢板集肤效应不太明显，在同样磁场条件下，同厚度的普通钢拉板、拉带一定比无磁钢涡流损耗大，更容易发生局部过热，因此普通钢拉板要与嵌入压板式磁屏蔽配合使用，其中，拉带在结构上与磁屏蔽越近越经济，但过近的距离会因磁屏蔽周围的磁场集中而发生局部过热，因此拉带到磁屏蔽的距离要综合考量距离。
（3）根据本文的计算结果，单柱容量334MVA及以下大容量变压器高漏磁区域铁心结构件材料可以由无磁钢优化成普通高强度钢，进而减少无磁钢的使用量，降低材料成本，提高车间生产效率。
参考文献：
[1]谢毓城.电力变压器手册[M].北京：机械工业出版社，2003：2-3.
[2]尹克宁.变压器设计原理[M].北京：中国电力出版社，2003：3-8.
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