浅谈干式变压器圆形铁心与长圆形铁心的优缺点

贾子豪，常军

（中铁电气工业有限公司保定铁道变压器分公司，河北 保定 071000）

在电力系统中，干式变压器能起到调压稳压、降低电能输电损耗的作用，占据十分重要的一环。据数据显示，在我国配电变压器损耗占到了输配电损耗的四成以上，而输配电损耗又占到全国发电量的6.6%左右。随着国家对节能环保的重视和市场竞争的不断激化，变压器损耗的要求随之越来越高，变压器成本也被压缩得越来越低。目前，为了节约成本，绝大部分厂家已经开始使用长圆形铁心来替代圆形铁心作为变压器的安装框架，同时，事实证明长圆形铁心也是可以达到所需技术指标的。为此，笔者对干式变压器这两种铁心形式进行了分析。

1 两种铁心形式

圆形铁心和长圆形铁心的区别在于，长圆形铁心是在圆形铁心的基础上得来的，在计算时可以以圆形铁心为基础去反求合适的长圆形铁心。圆形铁心和长圆形铁心型式如图1和图2所示。

图1 圆形铁心截面

图2 长圆形铁心截面

为了研究两种铁心的优缺点，以某用户要求的SCZ13-1000/10型变压器为例，对两种铁心进行了尺寸、成本分析，利用有限元软件建立三维模型对两种铁心形式的干式变压器漏磁进行了仿真。

2 成本分析

技术要求：

损耗允许偏差：空载损耗、负载损耗允许偏差：+15%；总损耗允许偏差：+10%；短路电抗允许偏差：±10%。

根据技术要求，进行电磁计算。电磁计算是变压器设计中的重要步骤。变压器的优化电磁计算，可以降低生产成本，提高产品运行性能，降低产品运行损耗，具有明显的经济效益。主要技术参数为空载损耗、负载损耗、阻抗、温升。电磁计算的主要作用是指导结构设计（表1）。

额定容量 kVA 1000高压kV 10分接范围 % ±4×2.5%；低压kV 10联结组标号 Dyn11空载损耗 W 1390负载损耗 WF（120℃） 7900空载电流 % 0.34阻抗电压 % 6电压组合

（1）圆形铁心方案：铁心为三相三柱，采用三级接缝。估算圆形铁心直径φ265，计算出铁心各级片宽、片厚，最后确定圆铁心几何尺寸，见图3。铁心最大片宽取260mm，铁心叠片厚度246mm，叠片系数0.96，此时铁心心柱净截面积为495.36cm2，硅钢片采用27QG100。

图3 圆形铁心截面尺寸

（2）长圆形铁心方案：铁心为三相三柱，选取长圆形铁心。确定长圆铁心几何尺寸，见图4。铁心最大片宽180mm，铁心叠片厚度300mm，宽厚比0.633，叠片系数0.96，铁心心柱净截面积为494.976cm2。

图4 长圆形铁心截面尺寸

电磁计算完成后，对两种方案的主要技术指标进行了对比，见表2。

圆形铁心 长圆形铁心空载损耗(W) 1455 1450负载损耗(W) 8041 8048阻抗电压(%) 6.0368 5.9889高压温升(K) 82.3 82.3低压温升(K) 82.8 82.4

通过分析（表3），发现在使用同一种型号硅钢片、导线，且在空载损耗、负载损耗、温升、阻抗电压等技术指标计算值近似相等的情况下，圆形铁心方案中心距和铜铁成本都要偏高一些，长圆形铁心方案成本主要节省在硅钢片中。

圆形铁心 长圆形铁心心柱截面(cm2) 495.36 494.976窗高(mm) 1130 1130中心距(mm) 605 530铜(kg) 1305 1303硅钢片(kg) 2363 2230铜铁成本（万元） 15.04 14.69

3 短路力分析

变压器运行时，高低压线圈都将处于强磁场之中，而当线圈突然短路时，极大的冲击电流将会使线圈受到巨大电磁力。电磁力的产生是线圈中短路冲击电流与漏磁场相互作用的结果，过大的电磁力会对线圈造成损坏。为此，我们利用有限元分析法（以干式变压器某一相低压绕组为例），使用Ansys Maxwell电磁软件对两种方案在低压侧短路的情况下进行了瞬态磁场仿真，场图见图5、图6。

根据图5和图6显示的结果，轴向漏磁分布主要集中于绕组中部，绕组两端漏磁较小。究其原因，绕组端部导线受力发生弯曲变形致使漏磁变小，这也侧面证实了绕组两端所受短路力较大。

图5 绕组漏磁分布（圆形铁心）

图6 绕组漏磁分布（长圆形铁心）

根据导线短路电磁力公式（轴向或辐向）：

式中，B0为短路电流稳态值对应的磁密；R为电磁线等效半径。

根据上式可以看出，在短路电流一定的情况下，短路力与漏磁密和电磁线等效半径呈正相关。经过计算，在上述两种方案中，圆形铁心低压绕组等效半径为209.5mm，长圆形铁心低压绕组等效半径为215.927mm；而且，从图6中仿真结果可知，圆形铁心方案漏磁密是略小于长圆铁心方案的，因此就干式变压器的抗短路能力而言，圆形铁心方案更优越一些，但是长圆心铁心也能很好的满足用户的要求。

4 结语

通过对两种铁心方案对比分析，可以确定的是，与传统圆形铁心相比，长圆形铁心可以节省材料，在尺寸和成本等方面具有明显优势，但抗短路能力较弱，也可以满足用户使用要求，而传统圆形铁心正好相反。

国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会于2020年发布了新标准GB 20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》，并且已经于2021年6月1日正式实施，这也标志着干式变压器损耗要求将越来越严格。那么为了降低成本，占领更多市场，可以预见，将会有越来越多的长圆形铁心干式变压器进入市场，而同时只有不断优化产品工艺，尽可能消除弊端带来的影响，才能使长圆形铁心发挥最大的效能。