談S11型、S9型10KV電力變壓器節材設計

1 節材設計原則
　　　　 根據我國目前的國情，中小型變壓器節材設計應遵守一些原則，即電氣絕緣強度不能降低、加工工藝不能過于復雜、加工工藝成本不能增加過大及鐵心材料盡量不使用價格高、市場供貨量少的高標號硅鋼片，如27Q100、27Q110、27Q120等，而盡量使用30Q130（用與S11產品）、30Q140、30Q147（用與S9產品）等損耗性能相當的硅鋼片。在本文中只談疊鐵心變壓器，對卷鐵心變壓器不涉及。
　　　　 在20世紀設計的變壓器，其銅鐵重量比基本上按1：2的原則，銅價價格比也接近于2：1。節材設計時主要側重于降低銅材重量，因為降低1kg銅的經濟效益相當于降低2kg硅鋼片的經濟效益。目前市場鋼材每噸超過7萬元，硅鋼片（武鋼30Q140）約為3.8萬元。鋼鐵價格比為1.8：1。現在總體考慮要降低總耗材，減少總重量，從滿足節材的目的，我們經過設計實踐認為鋼鐵重量比目前應控制在1：1.8以上較為合適。

2 長圓形鐵心、長圓形繞組
　　　　 從變壓器設計思想的角度考慮，總希望鐵心的有效截面積要足夠大，而同時繞組的圓周長又足夠短，或者說隨鐵心截面的增加繞組的匝長應增加得較少，這樣就可以達到節約鋼鐵的目的。我們受S9半油道的啟發（半油道就是繞組由正圓形改為橢圓形，而使鐵心M。減小5mm ,節約部分銅鐵）。將繞組、鐵心都改為長圓形（見圖1），這樣的鐵心實為將圓形鐵心分為兩個半圓，在中間增加了2Ｒ×δ的矩形鐵心。這樣鐵心可將中間矩形的厚度δ作適度的調整來改變鐵心的截面，而同時繞組的周長也會有少許增加。
　　　　 在鐵心截面為圓形時，鐵心截面積要增大，外圍圓周長必然有增量2△Ｒπ 。因所有定長外圍組成的幾何圖中圓形為最大面積，而又有兩點間距離最短的是直接距離，兩半圓形所圍成的面積為最大面積，而中間2Ｒ×δ的矩形部分對外圍周長增量△2Ｒ×δ的直線長度，2Ｒ的長度并沒有增加。
　　　　 在設計繞組和器身時，主絕緣、縱絕緣距離、散熱面積均不得減小。以保證變壓器電氣絕緣強度不降低，技術性能不降低，保證變壓器有與統一設計同樣的散熱、抗沖擊能力。
　　　　 例如，ΦＤ=210ｍｍ，Ａt=325.4cｍ2。外圓周長Ｌ=210π=659.7ｍｍ。采用長圓鐵心時ΦＤ=160ｍｍ，矩形部分2Ｒ=160ｍｍ，δ=85.4ｍｍ。矩形部分Ａt=188.8ｃｍ2，總面積Ａt=325.4ｃｍ2，外圍Ｌ=160π+2δ=673.4ｍｍ。
　　　　 對兩種方案進行比較，鐵心有效截面相當，繞組用銅量相當，但鐵心ΦＤ=210ｍｍ與ΦＤ=160ｍｍ相比兩者相差50ｍｍ，這就是說Ｍ可縮小50ｍｍ，鐵心質量相應減少48 kg。長圓形鐵心在應用中若確定ΦＤ后，由設計需要而對中間的矩形部分的厚度δ作適當調整，以滿足鐵心截面對電磁設計的要求。在圓形鐵心的調整時需調整ΦＤ的大小，造成繞組銅材的增加幅度要大于長圓形只增加δ的幅度。由此可見，采用長圓形的鐵心能夠節約可觀的硅鋼片、銅線等材料的重量。
3 節材效果
幾年來，我們已經用長圓形鐵心生產了S11型10KV、S9型10KV變壓器近1000臺，生產的產品各項性能全部達到合格品或一等品的標準。例如S11—630/10性能平均值Ｐ0=804~822Ｗ，Ｐk=6185~6290Ｗ，Ｕk=4.39%~4.54%，Ｉ0=0.31%（標準為Ｐ0=810Ｗ，Ｐk=6200Ｗ，Ｕk=4.5%，Ｉ0=0.27%）。生產的產品有52%已經上網運行兩年以上，用戶反映良好，無不良質量問題反饋。S11—315/10在武高所完成型式試驗，結論合格。
長圓形鐵心、繞組生產過程中，不需要增加新的專用設備，生產工藝與S9型10KV疊鐵心生產工藝基本相似。除了繞組繞制比圓形繞組增加7%~8%的工時外，其余工序均不增加工時。以S11—630/10為例，圓形繞組每臺需3人7h，而長圓形繞組每臺需3人7.5 h，共增加用工1.5 h，按每小時綜合工時成本80元計算，則需增加費用120元。
使用材料質量見表1、表2。表1中S11型10KV變壓器鐵心材料使用30Q130硅鋼片，而統一設計的圓形鐵心使用27Q100硅鋼片，比30Q130每kg要增加成本5~6元。表2中S9型10KV變壓器鐵心使用30Q140或30Q147硅鋼片。
以630KVA變壓器為例：
　　 S11—630/10可降低材料消耗：銅材75kg，硅鋼片137 kg ，變壓器油171kg，油箱鋼材180 kg。
S9—630/10可降低材料消耗：銅材83kg，硅鋼片111 kg ，變壓器134kg，油箱鋼材91kg。
　　 材料價格按：銅材65元/ kg，硅鋼片30Q14038元/kg，27Q11042元/kg（原設計S11用），變壓器油7元/kg，油箱按8.7元/kg。
　　　　　　S11—630/10新舊設計材料成本對比如下：
　　　　　　原S11—630/10，材料成本=65元×473+42元×865+7元×447+8.7元×540=70673.8元。
　　　　　　新S11—630/10，材料成本=65元×398+38元×728+7元×276+8.7元360=58598元。