变压器的铁芯综述

1.铁芯的作用
铁芯是变压器的基本部件。从工作原理方面讲,铁芯是变压器的导磁回路,它把两个独立的电路用磁场紧密联系起来,电能由一次绕组转换为磁场能后经过铁芯传递至二次绕组,在二次绕组中再由磁场能转换电能。从结构方面讲:铁芯一般都是一个机械上可靠的整体,在铁芯上套装线圈,铁芯夹件可以支撑引线,变压器内部几乎所有的部件都安装或固定在铁芯上。

2.铁芯的结构
变压器铁芯的结构形式可分为壳式和芯式两大类,我国变压器制造厂普遍采用芯式结构。芯式铁芯又可分为单相双柱、单相三柱、三相三柱、三相五柱式等。大多数电力变压器通常为三相一体形势,常常釆用三相三柱或三相五柱式铁芯,特大型变压器因为体积大运输困难,一般有三台单相变压器组成,其铁芯釆用单相三柱式。

变压器铁芯结构有多种形式,但其紧固结构和方法却大致相似,一般由夹件、铁芯绑扎带、紧固螺杆(拉板)绝缘件、横梁、垫脚等将叠积的硅钢片绑扎固定成为一个牢固的整体,作为变压器器身装配的骨架。

硅钢片是高导磁材料,它是铁芯的最重要部分。将含有一定比例硅元素的钢材轧制成片,两面涂敷绝缘层后即成硅钢片。硅钢片按制法可分为冷乳和热乳两类,按乳制后的晶粒排列规律可分为取向硅钢片和无取向硅钢片。其中冷乳取向硅钢片因为具有磁饱和点高、耗损和励磁容量低的显著优点在电力变压器领域被广泛应用。冷乳取向硅钢片也有缺点,例如其磁化特性的方向新性强(沿礼制方向磁化特性好,损耗小;沿其乳制的正交方向不易磁化,损耗大),为了减少变压器角部损耗,设计时一般采用多级斜接缝,叠积难度相对较大,工艺要求高。又如冷乳取向硅钢片抗机械冲击能力差,加工、运输甚至叠积过程中的墙碰、弯曲均会导致硅钢片性能劣化。常用冷乳硅钢片的厚度有0.23,0.27,0.30,0.35mm,越薄的硅钢片损耗水平越低,但叠片系数(导磁面积与几何面积的比值)也低,工艺难度相对较大。除硅钢片外,非晶合金也是一种重要的铁芯材料,非晶带材的厚度仅为硅钢片的1/10,其祸流损耗水平较普通硅钢片可降低80%,在倡导节能环保的大背景下,非晶合金在配电变压器制造领域的应用越来越多。

大多数的铁芯由硅钢片叠积而成,也有部分小型变压器采用卷制工艺制作铁芯,相比而言卷铁芯有损耗低、噪音低的优点,但其工艺难度相对较高。铁芯的截面大多为多级圆形,在旁辄、上辄、下辄等部位也有采用多级椭圆形、多级D形截面。

变压器运行过程中,铁芯中有交变的磁场,该磁场在铁芯中会产生祸流损耗(变压器空载损耗的主要部分),大型变压器的铁芯发热量较大,为了防止铁芯过热,可以在铁芯叠片中设置冷却油道,一般情况下冷却油道由绝缘材料制成。

3.铁芯的绝缘
铁芯的绝缘包括铁芯的片间绝缘和铁芯片与结构件之间的绝缘。硅钢片两面涂有极薄的绝缘膜,即铁芯的片间绝缘,它把硅钢片彼此绝缘开来,以避免铁芯片间形成大的短路环流。在大型变压器中,为避免铁芯叠片中因感应电位累加而放电,在铁芯叠片中每隔一定厚度应放置0.5-1mm厚的绝缘纸板,把铁芯分隔为几个部分。此外,铁芯片与结构件的短路可以造成多点接地,可能产生短路回路而烧毁接地片甚至铁芯,因此铁芯片与夹件、侧梁、垫脚、拉板等结构件之间必须有良好的绝缘。

4.铁芯的接地
铁芯的接地必须是一点接地。虽然相邻铁芯片间绝缘电阻较大,但因绝缘膜极薄、正对面积大,所以片间电容很大,对于在交流电磁场中工作的铁芯来说,通过片间电容的耦合,整个铁芯电位接近,可视为有效接地。但当铁芯两点(或多点)接地时,若两个(或多个)接地点处于不同的叠片级上,因处于交变磁场中,两个接地点之间的铁芯片将有一定的感应电动势,并经大地形成回路产生一定的电流,这个电流将导致局部过热,严重的将烧毁接地片甚至铁芯,影响变压器的安全运行。