變壓器質(zhì)量控制：鐵心、繞組、絕緣系統(tǒng)及油箱設(shè)計優(yōu)化

關(guān)鍵詞：變壓器，鐵心，繞組，絕緣系統(tǒng)，油箱，制造工藝

0 引言

變壓器是電力傳輸和配電系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備，它可以提高或降低交流電壓，并實現(xiàn)不同電壓系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換[1-3]。隨著電力需求的不斷增長和電力系統(tǒng)的日益復(fù)雜，確保變壓器質(zhì)量成為電力行業(yè)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)[4- 6]。變壓器質(zhì)量的控制涉及多個方面，包括鐵心、繞組、絕緣系統(tǒng)和油箱的設(shè)計和制造[7-9]。本文將全面探討這些關(guān)鍵組件，為變壓器質(zhì)量控制提供全面的指導(dǎo)[10-11]。

1 鐵心設(shè)計與優(yōu)化

1.1 鐵心構(gòu)造

變壓器鐵心是磁通的載體，其主要功能是導(dǎo)磁和提供機械支撐。常見的鐵心結(jié)構(gòu)有五柱鐵心和三柱鐵心。

1.1.1 三相五柱鐵心

三相五柱鐵心主要適用于大容量三相變壓器。這種結(jié)構(gòu)可以降低變壓器的高度，從而降低運輸高度。它包括兩種結(jié)構(gòu)：一種是旁柱和鐵軛截面積相等，為主柱截面積的一半；另一種是旁柱和鐵軛截面積分別為主柱的43%和53%。五柱鐵心結(jié)構(gòu)可以減少鐵心的高度，但會增加硅鋼片用量和加工成本。采用步進(jìn)搭接結(jié)構(gòu)可以降低空載損耗和噪聲，但工藝復(fù)雜，疊裝工作量大。

1.1.2 三相三柱鐵心

三相三柱鐵心廣泛應(yīng)用于中小容量變壓器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡單的特點，但疊裝工作量較大。此外，由于鐵軛較大，當(dāng)用于超大容量變壓器時，可能會出現(xiàn)較大的漏磁通，并導(dǎo)致變壓器高度超過運輸限制。STS鐵心（6搭接的三相三柱鐵心）空載損耗和噪聲較小，廣泛應(yīng)用于油浸式變壓器。

1.1.3 單相三柱鐵心

單相三柱鐵心適用于單相大容量變壓器，其旁柱和鐵軛的截面積是主柱的一半。相比三相三柱鐵心，它具有結(jié)構(gòu)簡單、適用于大容量變壓器的優(yōu)點，但可能存在較大的漏磁通問題。單相三柱鐵心也被稱為“雙框鐵心”。

1.2 鐵心材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鐵心疊片通常采用冷軋高導(dǎo)磁晶粒取向硅鋼片，鐵心在工作時會產(chǎn)生損耗和過熱問題，因此需要選擇合適的鐵心材料和設(shè)計冷卻油道。鐵心及其金屬件由于電場位置不同，產(chǎn)生的電位也不同，需要接地防止擊穿放電。此外，接地時應(yīng)確保一點接地，避免多點接地形成閉合環(huán)路，增加損耗和局部過熱。

2 繞組設(shè)計與優(yōu)化

2.1 繞組構(gòu)造

繞組是變壓器的核心部件，是電磁感應(yīng)中的電通路。常見的導(dǎo)電材料包括銀、銅和鋁，其中銅材是目前變壓器常用的材料。繞組絕緣分為導(dǎo)線匝絕緣和線餅間絕緣[12-13]。

2.2 線圈型式

（1）層式線圈

層式線圈適用于小容量變壓器，其特點是導(dǎo)線逐層繞制，層與層之間絕緣良好。

（2）螺旋式線圈

螺旋式線圈由多根導(dǎo)線并聯(lián)疊繞而成，適用于調(diào)壓線圈、大電流的低壓線圈或特殊結(jié)構(gòu)的高壓線圈。

（3）連續(xù)式線圈

連續(xù)式線圈由單根或多根導(dǎo)線并聯(lián)繞制而成，是典型的餅式線圈。

（4）糾結(jié)式線圈

糾結(jié)式線圈的線匝不按自然順序排列，具有良好的絕緣和散熱特性。

（5）插入電容連續(xù)式線圈

這種線圈在連續(xù)式線圈的進(jìn)線端部分線段插入獨立的屏蔽線匝，以提高絕緣性能。

2.3 繞組結(jié)構(gòu)優(yōu)化

繞組結(jié)構(gòu)的選擇取決于變壓器的具體要求，包括容量、電壓等級和電流大小。層式線圈適用于小容量變壓器，而螺旋式和連續(xù)式線圈適用于大電流和特殊結(jié)構(gòu)的要求。糾結(jié)式和插入電容連續(xù)式線圈可以改善絕緣和散熱性能。在設(shè)計時，應(yīng)考慮繞組的電氣強度、機械強度和絕緣距離，確保繞組的可靠性。

3 絕緣系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

3.1 絕緣結(jié)構(gòu)

變壓器器身絕緣是主絕緣，包括油-隔板絕緣和紙筒-油隙絕緣。油-隔板絕緣的耐電強度隨油隙體積減小而提高，因此角環(huán)的作用是將線圈端部和上鐵軛之間的油隙分割成多個小油隙，以提高耐電強度[14-15]。

3.2 絕緣材料

變壓器常用的絕緣材料包括絕緣油、絕緣紙和絕緣纖維板等。選擇合適的絕緣材料需要考慮電氣性能、機械性能和熱性能等指標(biāo)。

3.3 絕緣系統(tǒng)優(yōu)化

絕緣系統(tǒng)設(shè)計是變壓器設(shè)計的關(guān)鍵。除了選擇合適的絕緣材料外，還需要優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)、控制電場分布、確保熱穩(wěn)定性并考慮絕緣協(xié)調(diào)。

（1）絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

變壓器絕緣結(jié)構(gòu)包括線圈繞組的匝間絕緣、線圈與線圈之間的絕緣和線圈與鐵心的絕緣。根據(jù)電壓等級、電流大小和環(huán)境條件設(shè)計合理的絕緣結(jié)構(gòu)，確保絕緣可靠性。

（2）電場分布優(yōu)化

采用合理的絕緣結(jié)構(gòu)和電極形狀可以控制電場分布，避免局部電場過度集中導(dǎo)致絕緣擊穿。常用的方法包括使用電容式絕緣、增加絕緣距離和采用接地屏蔽等。

（3）熱穩(wěn)定性考慮

變壓器運行時產(chǎn)生熱量，需要確保絕緣材料在運行溫度下保持良好的電氣性能和機械性能。因此，需要分析和設(shè)計絕緣系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。

（4）絕緣協(xié)調(diào)

變壓器需要應(yīng)對不同的過電壓類型，包括工頻、雷電和開關(guān)過電壓。絕緣系統(tǒng)設(shè)計需要考慮這些因素，確保變壓器在各種條件下都能可靠運行。

4 油箱設(shè)計與優(yōu)化

4.1 油箱功能

油箱是變壓器的外殼，具有保護(hù)變壓器內(nèi)部部件、盛裝變壓器油、傳遞應(yīng)力、散熱和結(jié)構(gòu)支撐的功能。

4.2 油箱結(jié)構(gòu)

油箱結(jié)構(gòu)包括鐘罩式和桶式兩種。鐘罩式油箱有利于器身下箱和引線的配置，方便二次安裝；桶式油箱有利于油箱的屏蔽布置和控制漏磁分布。大容量變壓器通常采用桶式油箱，小容量變壓器多采用鐘罩式油箱。

4.3 油箱設(shè)計要求

油箱設(shè)計需要滿足機械強度、密封性、熱傳導(dǎo)性、加工制造性和運輸性等要求。在設(shè)計時，應(yīng)考慮靜態(tài)和動態(tài)負(fù)荷、真空度和壓力對油箱的影響，確保油箱能夠可靠地密封變壓器油并有效散熱。

4.4 油箱制造工藝

油箱制造工藝的優(yōu)化包括材料選擇、加工工藝和質(zhì)量控制。選擇合適的油箱材料，如鋼板、鋁板或復(fù)合材料，確保油箱的機械強度和耐腐蝕性。采用先進(jìn)的加工工藝，如激光切割、焊接和表面處理技術(shù)，確保油箱的加工精度和表面質(zhì)量。此外，還需要嚴(yán)格控制油箱的質(zhì)量，包括尺寸精度、焊接質(zhì)量和表面處理質(zhì)量，以確保油箱滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

確保變壓器質(zhì)量是一個多方面的任務(wù)，涉及鐵心、繞組、絕緣系統(tǒng)和油箱的設(shè)計和制造優(yōu)化。通過分析這些組件在變壓器中的作用和優(yōu)化方法，本文提供了全面的指導(dǎo)，以幫助變壓器行業(yè)提升質(zhì)量控制水平。鐵心結(jié)構(gòu)和材料的選擇影響變壓器的損耗和過熱問題，繞組線圈型式和結(jié)構(gòu)優(yōu)化確保電氣和機械性能，絕緣系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化保證變壓器在不同條件下的可靠運行，油箱結(jié)構(gòu)和制造工藝則影響變壓器的保護(hù)、散熱和結(jié)構(gòu)支撐功能。變壓器質(zhì)量控制需要全面考慮各組件的相互作用和對變壓器性能的影響，從而提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。