变压器结构设计与制造工艺探析

摘  要：变压器是一种十分重要的电器设备，承载着变换电压、变换电流、稳压等多种功能。为了在实际使用中，让变压器更好的发挥作用，需要对结构设计和制造工艺进行更多的探析。本文正是基于这个角度，对变压器的设计和制造进行了分析。

关键词：变压器;结构设计;制造工艺

1 研究背景

电能是人们日常生活中不能缺少的资源，现阶段，经济高速发展，人们关于生活质量方面的要求增多，科学技术更新换代速度加快，电能资源使用量也在逐年攀升。在这个过程中离不开变压器发挥的巨大功能。变压器的原理是电磁感应形成的变换交流电压与电流，再进行进一步传输与交流电能，变压器是一种以线圈为主要构造的电器设备，具体包括初级线圈、次级线圈和铁芯，每个构件功能不同，都承担着变压器进行电压与电流变化的功能，还具有支持变压器正常运作的阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等功能，按照上述定义，常见的变压器主要是电力变压器、试验变压器、仪用变压器及特殊用途的变压器。电力变压器是发电厂和变电所不可缺少的主要设备之一，通过它提高电压输送到用电区域，然后再降低成各种电压送到最终用户。试验变压器能产生高压，对电气设备进行高压试验。仪用变压器包括了电压互感器、继电保护装置、电流互感器和各种测量仪表。特种变压器包括电炉变压器、整流变压器、电容式变压器、调整变压器、移相变压器等。变压器产业链中，其上游企业是生产等原材料的厂商，主要包括硅钢片、铜材、变压器油、树脂。中游企业为变压器制造商。电力变压器行业下游企业主要为南方电网、电力公司、国家电网等。

2 变压器结构设计

在电力运行过程中变压器发挥着无法替代的作用。影响变压器最终效能的因素很多，其结构也相对复杂，本文参考了相应的标准，对主要结构的设计进行了分析。

2.1硅钢片

在变压器中，对硅钢性能的要求，一，影响硅片质量重要的指标就是铁损低，牌号的划分由各国根据铁损的高低来決定。二，在较强磁场下，磁感应强度会升高，相应的减少电机和变压器重量以及铁心体积，从而可以使得硅钢片、铜线和绝缘材料等用量减少，达到节约的功效。三是表面没有凹凸不平的情况，并且平整和厚度均匀，这样就可以增加铁心的填充系数。四是冲片性好，这样在实际的加工工艺上难度较低，便于实际生产操作。五是表面绝缘膜的附着性和焊接性良好，能防蚀和改善冲片性，降低磁滞损耗。

变压器通常采用冷轧取向硅钢片，以确保其空载的能效水平。通过冷轧取向硅钢片的多样性和性能复杂等特征可以将其分为普通的冷轧取向硅钢片和传导性很高的磁硅钢片。除此之外，还存在一些激光刻痕的硅钢片。通常情况下，在50Hz，800A交变磁场（峰值）下，区分普通硅钢的条件是铁心所达到强度以及最小值是否在B800A=1.78T～1.85T范围内，所以综上所述B800A=1.85T以上的硅钢片则是高导磁硅钢。“Hi-B钢”为生产过程中的简称，Hi-B钢其与常规硅钢片的主要区别在于：Hi-B钢的高斯方位织构度非常高，即在易磁化方向上的硅钢晶粒排列位向整齐度非常高。Hi-B钢有更高的磁导率，通常其B800A可达到1.88T以上，提高了高斯方位织构度以及磁导率可降低铁损。激光刻痕硅钢片则是在Hi-B钢的基础上，通过激光束照射技术，使其表面产生微小的应变，进一步磁轴细化，实现更低的铁损。激光刻痕硅钢片不能进行退火处理，因为提高温度，则激光处理效果便会消失。不同牌号的硅钢片其物理特性基本相当，密度基本都是7.65g/cm3。对于同种类硅钢片而言，其性能质量主要区别还是在硅的含量以及生产过程的工艺影响。

2.2非晶合金铁心

20世纪70年代开始普遍使用非晶合金材料，这是一种是新型合金材料，形成过程则是利用超急冷技术将液态金属以106℃/S冷却速度直接冷却，并且利用国际先进的技术手段，将冷却过后的液态金属做成厚度只有0.02～0.03mm的固体薄带。在其冷却的过程当中，由于没有进行结晶，则已经形成了固体，所以原子呈现不规则排列形态，导致晶体结构不呈现金属特征，构成的元素是铁（Fe）、碳（C）、镍（Ni）、硅（Si）、钴（Co）、硼（B）等，这些基本特征，使得其材料具备很多方面的优点，比如：由于其本身不存在晶体结构，导致其成为了各向同性的软磁材料;磁化功率小，温度可以非常容易的进行控制。由于非晶合金为无取向材料，所以其制作的工艺较为简单，可以直接缝;其由于不存在结构的缺陷，没有磁畴移动的障碍，磁滞损耗则大大降低;带材的厚度是0.02～0.03㎜，非常薄。比较来看，是取向硅钢片电阻率高3倍。非晶合金铁心空载性能稳定，采用这种类型的变压器可以使得空载电流下降50%以上，相较于传统的变压器而言节能效果显著，于是，在国家倡导节能减排的现阶段，这需要大力去运用此种类型的变压器，自2012年开始国家电网和南方电网等则纷纷对这种类型的变压器进行了采买，目前基本上非晶合金配变采购占比高达50%。

2.3电路材料

变压器的核心部分是由绕组（线圈）构成与外接电网直接相连的电路，变压器的内部电路通常是由导线绕制而成，导线（电磁线）按材质分为铜导线和铝导线，按导线截面形状又分为圆导线、扁导线（又可分为单根线、组合线和换位导线）、箔式导体等，导线与导线之间覆盖不同类型的绝缘层，最终形成整体线圈。变压器电路的主要导体材料为铜和铝。铜和铝均是导电性能较好的金属材料，是制作变压器线圈的常用导体。

铜铝变压器的差异也是由材料的差异决定的，具体表现在以下几个方面：第一，铜导体的电阻率仅仅是铝导体的60%左右，为了达到相同的损耗和温升要求，所需使用的铝导体截面积要较铜导体大60%以上，所以相同容量和相同参数情况下，铝导体变压器体积通常要较铜导体变压器大，不过此时变压器的散热面积也有所增加，所以其温升较低;第二，铝的密度仅为铜的30%左右，所以铝导体配电变压器要较铜导体配电变压器要轻;第三，铝导体的熔点较铜导体低许多，所以其在短路电流的温升限值为250℃，较铜导体的350℃低，所以其设计电密要较铜导体低，变压器导线截面积要大，故体积也较铜导体变压器大;第四，铝导体硬度较低，故其表面毛刺较易消除，故制成变压器后，其由于毛刺产生的匝间或层间短路的概率减少;第五，由于铝导体的抗拉、抗压强度较低，机械强度差，故铝导体变压器承受短路能力不如铜导体变压器。

2.4绝缘材料

变压器的稳定性和使用寿命的长短由绝缘材料决定，因而我们应该加大对绝缘材料分析的力度，其是一种电阻系数高导电能力低的物质。绝缘材料此功能主要是阻隔材料，在变压器当中，使得电流按照既定路线进行流向。在一些变压器的生产产品当中还起到了很多冷却和散热以及改善电位梯度、防潮、防霉和保护导体等作用。由于绝缘体材料的电阻系数通常情况下较高，在108～1020Ω·cm之间，所以其在正常的运作过程当中只有非常小的电流通过。

直流电流在遇到绝缘材料之后，则会形成非常大的阻力。因为本身的电阻率较高，则会导致其在真正的操作层面几乎是不会导电的。但是交流电则情况不一样，理论上一般也是不会导电的，但是，交流电流则有电容电流通过。我们可以从中看出，电阻越大，绝缘则越为彻底。

在变压器当中，每一个绝缘材料使得其将导电部分彼此之间及导电部分对地（零电位）之间的绝缘隔离。用于各种支承件时，还应具有良好的力学性能。另外，绝缘材料还起到其它的作用，如散热冷却、固定、储能、灭弧、改善电位梯度、防潮、防霉和保护导体等作用。

2.5材料结构和附件

在变压器中，还有结构材料和附件，结构材料主要起到变压器支承、磁路、电路加固、人员保护等功能，包括夹件、地基连接件、外壳等，其主要材料为Q235钢材。变压器附件主要起性能监测和保护功能，干变中包括温控器、风机、互感器等，油变中包括气体继电器、温控器、压力释放阀、分接开关等附件需求是由客户提出的。

3 变压器工艺分析

3.1工藝保证

高速绕线机绕制压线圈，要对其采用机械张紧且张紧力恒定，使用先进的绕制工艺。压线圈所对应的系统是实现无极规自动控制排线，排线非常紧密，记数采取自动化，较为准确;在真正的制作过程当中，我们对导线进行拉伸，让每一个高压线圈的导线都非常紧靠，与每一个节点的绝缘体之间，形成了没有缝隙的连接。按照这一原理。低压线圈也是如此，既可以保障高度不变，又可以保障其尺寸准确。

3.2铁芯叠装

在专用的安装平台上对铁芯进行装配，铁芯的工装需要利用特殊定位，并且叠码铁这一步骤必须使用不叠上铁轭的工艺，在对设备主体部件进行组装过程中，下夹件成为铁芯夹码后的主要部位，柱铁加紧需要槽钢和上夹件同时配合完成，并且如果要在空间辅夹柱铁，必须利用C卡具，而且还要在移动存放区建设涂刷固定剂。干燥工艺完成之后，卡具中的铁芯被转入到器身装配工序中。所以因为每个铁芯都具有较强的粘和性，所以材料消耗很少。

3.3铁芯装配

由于铁芯具有不带铁轭和具有复杂性等特点，铁轭垫块采用模注成型的环氧树脂垫块，高压引线及分接引线的绝缘采用增强的PVC管穿套等特殊配套组合，通常我们在流水线的工作当中，可以将绝缘体和引线进行相互的装配，使得工作效率提高的同时又能保证质量和生产安全。

4 结语

不可否认的是，变压器对电网正常运行发挥着至关重要的作用，要保证其设计、制造与运行的稳定性。作为一种必不可少的电器设备，它的结构设计和工艺制造对它的实际功效都会产生不同程度的影响。也正因为如此，要不断改进和优化设计，让变压器更好地适应时代需求，这是十分有必要的。

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作者简介：张晔（1986—  ），男，汉族，河北保定人，本科，工程师，研究方向：干式变压器研发设计。