在高效節(jié)能配電變壓器領(lǐng)域，非晶合金鐵心配電變壓器（以下簡(jiǎn)稱非晶合金變壓器）和立體卷鐵心配電變壓器（以下簡(jiǎn)稱立體卷鐵心變壓器）應(yīng)用廣泛。變壓器生產(chǎn)廠家為了在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利位置，對(duì)配電變壓器的節(jié)材降耗進(jìn)行了積極地探索。在疊鐵心變壓器領(lǐng)域，長(zhǎng)圓形鐵心和橢圓形鐵心結(jié)構(gòu)的應(yīng)用成為降低成本的一種有效方法，但由于要相應(yīng)采用長(zhǎng)圓形和橢圓形繞組，導(dǎo)致抗短路能力較差，故障損壞率較高。在各種類型的配電變壓器抗短路能力比較上，還是傳統(tǒng)的圓形疊鐵心變壓器最好。
配電變壓器的鐵心直徑相對(duì)較小，硅鋼片在剪切過程中邊緣會(huì)有損傷從而影響性能，片寬越小影響占比越大。在鐵心疊積及二次插片過程中，機(jī)械應(yīng)力對(duì)硅鋼片造成的傷害相對(duì)值也大。鐵心柱與鐵軛間的接縫會(huì)使得空載性能變壞，尤其是鐵心中間柱與鐵軛的接縫處。疊積式鐵心在制造過程中的以上幾點(diǎn)使得空載損耗大幅增加，很難達(dá)到高效節(jié)能配電變壓器標(biāo)準(zhǔn)中的要求。疊鐵心變壓器要降低空載損耗，一般要在三個(gè)方面下功夫：使用高牌號(hào)硅鋼片，降低鐵心磁通密度，提高器身填充率縮小體積。為此，張亞杰等研發(fā)人員通過使用最新的高性能硅鋼片，采取了一系列技術(shù)措施，經(jīng)過多個(gè)方案的設(shè)計(jì)分析和相關(guān)資料的查找借鑒，研發(fā)出高效節(jié)能的疊鐵心配電變壓器。
研究主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行變壓器產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)：
(1）采用性能最好的硅鋼片疊制鐵心。采用B20R065高導(dǎo)磁硅鋼片，單位損耗小于0.65W/kg(1.7T，50Hz下）。疊片采用多級(jí)步進(jìn)式疊積，可降低空載損耗和空載電流。由于單片厚度薄，疊片系數(shù)按0.96計(jì)算；
鐵心磁通密度降至1.5T以下，對(duì)應(yīng)磁通密度下的單位損耗不超過0.45W/kg。鐵軛截面的增大對(duì)繞組尺寸沒有影響，因而可以通過增大鐵軛的截面積，進(jìn)一步降低鐵軛中磁通密度和對(duì)應(yīng)磁通密度下的單位損耗，從而進(jìn)一步降低空載損耗。由于硅鋼片材料各向異性的特性，鐵心柱和鐵軛截面不相等會(huì)造成磁通片間穿越進(jìn)而增加損耗，特別是在中柱接縫處損耗增加明顯，過度增大鐵軛截面是不可取的；
(3）提高繞組的填充率，降低鐵心重量。通過優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)，盡量縮小繞組體積，相應(yīng)可減小鐵心的體積和重量，從而降低空載損耗。對(duì)配電變壓器而言，高壓繞組采用層式5低壓繞組采用箔式，比連續(xù)式繞組和螺旋式繞組的填充系數(shù)為高，可有效減小繞組的尺寸。而隨著配電變壓器容量的增大，低壓繞組采用一張銅箔時(shí)厚度過大，繞制難度增大。采用雙層銅箔并繞甚至三層銅箔并繞在大容量配電變壓器中得到越來越多的應(yīng)用，本方案中最終采用雙層銅箔繞制低壓繞組；
(4）降低雜散損耗。通過降低結(jié)構(gòu)件中的雜散損耗，在保持負(fù)載損耗不變的前提下，將降低的這部分損耗增加到繞組直流電阻損耗中，從而減小繞組電磁線用量，進(jìn)一步縮小繞組體積，相應(yīng)減小鐵心體積和重量，進(jìn)一步降低空載損耗。
在鐵心設(shè)計(jì)方面：鐵心按技術(shù)要求采用圓形鐵心截面，鐵軛采用截面增大的D型大軛結(jié)構(gòu)。鐵軛疊片厚度與鐵心柱疊片厚度相同，疊片寬度在1.3~1.5倍心柱疊片寬度范圍內(nèi)選擇。為了降低夾件中的損耗，夾件可選用不導(dǎo)磁鋼材料，或在導(dǎo)磁鋼夾件的繞組側(cè)增加硅鋼片制成的磁屏蔽，或是采用絕緣夾件。在綜合考慮夾件機(jī)械強(qiáng)度和電磁性能要求的基礎(chǔ)上，夾件整體由絕緣材料制成效果最佳，可使夾件中的雜散損耗降低到近似為零。
在繞組設(shè)計(jì)方面：高壓繞組采用多層層式結(jié)構(gòu)，層間一個(gè)散熱油道。低壓繞組采用雙層銅箔層式結(jié)構(gòu)，層間一個(gè)散熱油道。
在引線設(shè)計(jì)方面：低壓引線中電流較大，可選用較大截面的銅排以降低引線中的損耗，同時(shí)，低壓繞組尾頭的引線銅排伸出盡量短一些，也可降低部分引線損耗。低壓引線采用在夾件內(nèi)側(cè)向上引出的方式，使大電流的低壓引線遠(yuǎn)離油箱壁，從而降低了引線漏磁場(chǎng)在油箱壁中產(chǎn)生的雜散損耗，有利于降低產(chǎn)品的整體損耗。
設(shè)計(jì)的變壓器通過產(chǎn)品仿真值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比驗(yàn)證了模型仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為新產(chǎn)品開發(fā)的事前控制起到了保障作用。
配電變壓器的鐵心直徑相對(duì)較小，硅鋼片在剪切過程中邊緣會(huì)有損傷從而影響性能，片寬越小影響占比越大。在鐵心疊積及二次插片過程中，機(jī)械應(yīng)力對(duì)硅鋼片造成的傷害相對(duì)值也大。鐵心柱與鐵軛間的接縫會(huì)使得空載性能變壞，尤其是鐵心中間柱與鐵軛的接縫處。疊積式鐵心在制造過程中的以上幾點(diǎn)使得空載損耗大幅增加，很難達(dá)到高效節(jié)能配電變壓器標(biāo)準(zhǔn)中的要求。疊鐵心變壓器要降低空載損耗，一般要在三個(gè)方面下功夫：使用高牌號(hào)硅鋼片，降低鐵心磁通密度，提高器身填充率縮小體積。為此，張亞杰等研發(fā)人員通過使用最新的高性能硅鋼片，采取了一系列技術(shù)措施，經(jīng)過多個(gè)方案的設(shè)計(jì)分析和相關(guān)資料的查找借鑒，研發(fā)出高效節(jié)能的疊鐵心配電變壓器。
研究主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行變壓器產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)：
(1）采用性能最好的硅鋼片疊制鐵心。采用B20R065高導(dǎo)磁硅鋼片，單位損耗小于0.65W/kg(1.7T，50Hz下）。疊片采用多級(jí)步進(jìn)式疊積，可降低空載損耗和空載電流。由于單片厚度薄，疊片系數(shù)按0.96計(jì)算；
鐵心磁通密度降至1.5T以下，對(duì)應(yīng)磁通密度下的單位損耗不超過0.45W/kg。鐵軛截面的增大對(duì)繞組尺寸沒有影響，因而可以通過增大鐵軛的截面積，進(jìn)一步降低鐵軛中磁通密度和對(duì)應(yīng)磁通密度下的單位損耗，從而進(jìn)一步降低空載損耗。由于硅鋼片材料各向異性的特性，鐵心柱和鐵軛截面不相等會(huì)造成磁通片間穿越進(jìn)而增加損耗，特別是在中柱接縫處損耗增加明顯，過度增大鐵軛截面是不可取的；
(3）提高繞組的填充率，降低鐵心重量。通過優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)，盡量縮小繞組體積，相應(yīng)可減小鐵心的體積和重量，從而降低空載損耗。對(duì)配電變壓器而言，高壓繞組采用層式5低壓繞組采用箔式，比連續(xù)式繞組和螺旋式繞組的填充系數(shù)為高，可有效減小繞組的尺寸。而隨著配電變壓器容量的增大，低壓繞組采用一張銅箔時(shí)厚度過大，繞制難度增大。采用雙層銅箔并繞甚至三層銅箔并繞在大容量配電變壓器中得到越來越多的應(yīng)用，本方案中最終采用雙層銅箔繞制低壓繞組；
(4）降低雜散損耗。通過降低結(jié)構(gòu)件中的雜散損耗，在保持負(fù)載損耗不變的前提下，將降低的這部分損耗增加到繞組直流電阻損耗中，從而減小繞組電磁線用量，進(jìn)一步縮小繞組體積，相應(yīng)減小鐵心體積和重量，進(jìn)一步降低空載損耗。
在鐵心設(shè)計(jì)方面：鐵心按技術(shù)要求采用圓形鐵心截面，鐵軛采用截面增大的D型大軛結(jié)構(gòu)。鐵軛疊片厚度與鐵心柱疊片厚度相同，疊片寬度在1.3~1.5倍心柱疊片寬度范圍內(nèi)選擇。為了降低夾件中的損耗，夾件可選用不導(dǎo)磁鋼材料，或在導(dǎo)磁鋼夾件的繞組側(cè)增加硅鋼片制成的磁屏蔽，或是采用絕緣夾件。在綜合考慮夾件機(jī)械強(qiáng)度和電磁性能要求的基礎(chǔ)上，夾件整體由絕緣材料制成效果最佳，可使夾件中的雜散損耗降低到近似為零。
在繞組設(shè)計(jì)方面：高壓繞組采用多層層式結(jié)構(gòu)，層間一個(gè)散熱油道。低壓繞組采用雙層銅箔層式結(jié)構(gòu)，層間一個(gè)散熱油道。
在引線設(shè)計(jì)方面：低壓引線中電流較大，可選用較大截面的銅排以降低引線中的損耗，同時(shí)，低壓繞組尾頭的引線銅排伸出盡量短一些，也可降低部分引線損耗。低壓引線采用在夾件內(nèi)側(cè)向上引出的方式，使大電流的低壓引線遠(yuǎn)離油箱壁，從而降低了引線漏磁場(chǎng)在油箱壁中產(chǎn)生的雜散損耗，有利于降低產(chǎn)品的整體損耗。
設(shè)計(jì)的變壓器通過產(chǎn)品仿真值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比驗(yàn)證了模型仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為新產(chǎn)品開發(fā)的事前控制起到了保障作用。
