變壓器的鐵芯綜述

1.鐵芯的作用
鐵芯是變壓器的基本部件。從工作原理方面講,鐵芯是變壓器的導磁回路,它把兩個獨立的電路用磁場緊密聯系起來,電能由一次繞組轉換為磁場能后經過鐵芯傳遞至二次繞組,在二次繞組中再由磁場能轉換電能。從結構方面講:鐵芯一般都是一個機械上可靠的整體,在鐵芯上套裝線圈,鐵芯夾件可以支撐引線,變壓器內部幾乎所有的部件都安裝或固定在鐵芯上。

2.鐵芯的結構
變壓器鐵芯的結構形式可分為殼式和芯式兩大類,我國變壓器制造廠普遍采用芯式結構。芯式鐵芯又可分為單相雙柱、單相三柱、三相三柱、三相五柱式等。大多數電力變壓器通常為三相一體形勢,常常釆用三相三柱或三相五柱式鐵芯,特大型變壓器因為體積大運輸困難,一般有三臺單相變壓器組成,其鐵芯釆用單相三柱式。

變壓器鐵芯結構有多種形式,但其緊固結構和方法卻大致相似,一般由夾件、鐵芯綁扎帶、緊固螺桿(拉板)絕緣件、橫梁、墊腳等將疊積的硅鋼片綁扎固定成為一個牢固的整體,作為變壓器器身裝配的骨架。

硅鋼片是高導磁材料,它是鐵芯的最重要部分。將含有一定比例硅元素的鋼材軋制成片,兩面涂敷絕緣層后即成硅鋼片。硅鋼片按制法可分為冷乳和熱乳兩類,按乳制后的晶粒排列規律可分為取向硅鋼片和無取向硅鋼片。其中冷乳取向硅鋼片因為具有磁飽和點高、耗損和勵磁容量低的顯著優點在電力變壓器領域被廣泛應用。冷乳取向硅鋼片也有缺點,例如其磁化特性的方向新性強(沿禮制方向磁化特性好,損耗小;沿其乳制的正交方向不易磁化,損耗大),為了減少變壓器角部損耗,設計時一般采用多級斜接縫,疊積難度相對較大,工藝要求高。又如冷乳取向硅鋼片抗機械沖擊能力差,加工、運輸甚至疊積過程中的墻碰、彎曲均會導致硅鋼片性能劣化。常用冷乳硅鋼片的厚度有0.23,0.27,0.30,0.35mm,越薄的硅鋼片損耗水平越低,但疊片系數(導磁面積與幾何面積的比值)也低,工藝難度相對較大。除硅鋼片外,非晶合金也是一種重要的鐵芯材料,非晶帶材的厚度僅為硅鋼片的1/10,其禍流損耗水平較普通硅鋼片可降低80%,在倡導節能環保的大背景下,非晶合金在配電變壓器制造領域的應用越來越多。

大多數的鐵芯由硅鋼片疊積而成,也有部分小型變壓器采用卷制工藝制作鐵芯,相比而言卷鐵芯有損耗低、噪音低的優點,但其工藝難度相對較高。鐵芯的截面大多為多級圓形,在旁輒、上輒、下輒等部位也有采用多級橢圓形、多級D形截面。

變壓器運行過程中,鐵芯中有交變的磁場,該磁場在鐵芯中會產生禍流損耗(變壓器空載損耗的主要部分),大型變壓器的鐵芯發熱量較大,為了防止鐵芯過熱,可以在鐵芯疊片中設置冷卻油道,一般情況下冷卻油道由絕緣材料制成。

3.鐵芯的絕緣
鐵芯的絕緣包括鐵芯的片間絕緣和鐵芯片與結構件之間的絕緣。硅鋼片兩面涂有極薄的絕緣膜,即鐵芯的片間絕緣,它把硅鋼片彼此絕緣開來,以避免鐵芯片間形成大的短路環流。在大型變壓器中,為避免鐵芯疊片中因感應電位累加而放電,在鐵芯疊片中每隔一定厚度應放置0.5-1mm厚的絕緣紙板,把鐵芯分隔為幾個部分。此外,鐵芯片與結構件的短路可以造成多點接地,可能產生短路回路而燒毀接地片甚至鐵芯,因此鐵芯片與夾件、側梁、墊腳、拉板等結構件之間必須有良好的絕緣。

4.鐵芯的接地
鐵芯的接地必須是一點接地。雖然相鄰鐵芯片間絕緣電阻較大,但因絕緣膜極薄、正對面積大,所以片間電容很大,對于在交流電磁場中工作的鐵芯來說,通過片間電容的耦合,整個鐵芯電位接近,可視為有效接地。但當鐵芯兩點(或多點)接地時,若兩個(或多個)接地點處于不同的疊片級上,因處于交變磁場中,兩個接地點之間的鐵芯片將有一定的感應電動勢,并經大地形成回路產生一定的電流,這個電流將導致局部過熱,嚴重的將燒毀接地片甚至鐵芯,影響變壓器的安全運行。