變壓器鐵芯概述

　　鐵芯是變壓器中主要的磁路部分。通常由含硅量較高，表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。鐵芯和繞在其上的線圈組成完整的電磁感應(yīng)系統(tǒng)。電源變壓器傳輸功率的大小，取決于鐵芯的材料和橫截面積。

　　變壓器鐵芯的分類

　　殼式和芯式鐵芯

　　鐵芯中套繞組的部分稱為“心柱變壓器鐵芯不套繞組只起磁路作用的部分稱為“鐵軛”。凡鐵芯包圍了繞組就稱為殼式；凡繞組包圍心柱的稱為芯式。殼式和芯式各有特色，但是由鐵芯就夠所決定的變壓器制造工藝卻大有區(qū)別，一旦選用了某種結(jié)構(gòu)就很難轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)。我國大多變壓器鐵芯采用疊積芯式。

　　單相和三相鐵芯

　　單相鐵芯有單項(xiàng)兩柱式疊鐵芯。單相單柱旁軛式四柱鐵芯、單相雙柱式疊鐵芯、單相輻射式疊鐵芯共五種；三相鐵芯有三相柱式疊鐵芯、三相旁軛式五柱鐵芯、三相雙框式疊鐵芯、三相電抗器疊鐵芯共四種。

　　立體式和平面式

　　立體式的心柱和鐵軛不在一個(gè)平面內(nèi)，有輻射式、漸開線式、對稱式，因磁通分布比較均勻，可降低損耗；平面式的心柱和鐵軛在同一平面內(nèi)，機(jī)械強(qiáng)度高，工藝性好。

　　疊鐵芯和卷鐵芯

　　一般均為疊鐵芯，由鐵芯疊裝而成。卷鐵芯的形式較多。漸開線鐵芯的心柱與鐵軛之間氣隙較大，影響空載電流，所以容量不能做的太小；但因漏磁通垂直進(jìn)入鐵芯片平面，影響附加損耗，所以片寬不宜過大，即容量不能太大。

　　鐵心主要由鐵芯本體、緊固件和絕緣件組成：

　　①鐵芯本體、磁導(dǎo)體、由電工鋼片制成。

　　②緊固件、夾件、螺桿、玻璃綁扎帶、剛綁扎帶和墊塊等。

　　③絕緣件、夾件絕緣、絕緣管和絕緣墊、接地片和墊腳等。

　　變壓器鐵芯的作用

　　實(shí)際的變壓器總是在交流狀態(tài)下工作，功率損耗不僅在線圈的電阻上，也產(chǎn)生在交變電流磁化下的鐵芯中。通常把鐵芯中的功率損耗叫“鐵損”，鐵損由兩個(gè)原因造成，一個(gè)是“磁滯損耗”，一個(gè)是“渦流損耗”。

　　磁滯損耗是鐵芯在磁化過程中，由于存在磁滯現(xiàn)象而產(chǎn)生的鐵損，這種損耗的大小與材料的磁滯回線所包圍的面積大小成正比。硅鋼的磁滯回線狹小，用它做變壓器的鐵芯磁滯損耗較小，可使其發(fā)熱程度大大減小。

　　既然硅鋼有上述優(yōu)點(diǎn)，為什么不用整塊的硅鋼做鐵芯，還要把它加工成片狀呢？

　　這是因?yàn)槠瑺铊F芯可以減小另外一種鐵損——“渦流損耗”。變壓器工作時(shí)，線圈中有交變電流，它產(chǎn)生的磁通當(dāng)然是交變的。這個(gè)變化的磁通在鐵芯中產(chǎn)生感應(yīng)電流。鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，在垂直于磁通方向的平面內(nèi)環(huán)流著，所以叫渦流。渦流損耗同樣使鐵芯發(fā)熱。為了減小渦流損耗，變壓器的鐵芯用彼此絕緣的硅鋼片疊成，使渦流在狹長形的回路中，通過較小的截面，以增大渦流通路上的電阻；同時(shí)，硅鋼中的硅使材料的電阻率增大，也起到減小渦流的作用。

　　用做變壓器的鐵芯，一般選用0.35mm厚的冷軋硅鋼片，按所需鐵芯的尺寸，將它裁成長形片，然后交疊成“日”字形或“口”字形。從道理上講，若為減小渦流，硅鋼片厚度越薄，拼接的片條越狹窄，效果越好。這不但減小了渦流損耗，降低了溫升，還能節(jié)省硅鋼片的用料。但實(shí)際上制作硅鋼片鐵芯時(shí)。并不單從上述的一面有利因素出發(fā)，因?yàn)槟菢又谱麒F芯，要大大增加工時(shí)，還減小了鐵芯的有效截面。所以，用硅鋼片制作變壓器鐵芯時(shí)，要從具體情況出發(fā)，權(quán)衡利弊，選擇最佳尺寸。

　　變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理制成的。在在閉合的鐵芯柱上面繞有兩個(gè)繞組，一個(gè)原繞組，和一個(gè)副繞組。當(dāng)原繞組加上交流電源電壓時(shí)。原饒組流有交變電流，而建立磁勢，在磁勢的作用下鐵芯中便產(chǎn)生交變主磁通，主磁通在鐵芯中同時(shí)穿過，］一、二次繞組而閉合由于電磁感應(yīng)作用分別在一、二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，至于為什么它可以升壓和降壓呢？那就需要用楞次定律來解釋了，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通，總阻礙原磁通的變化，當(dāng)原磁通增加時(shí)感應(yīng)電流的產(chǎn)生的磁通與與原磁通相反， 就是說二次繞組所產(chǎn)生 的感應(yīng)磁通與原繞組所產(chǎn)生的主磁通相反，所以二次繞組就出現(xiàn)了低等級的交變電壓所以鐵芯是變壓器的磁路部，繞組是變壓器的電路部分。

　　變壓器鐵芯故障判斷及排除

　　變壓器的繞組和鐵芯是傳遞、變換電磁能量的主要部件。保證它們的可靠運(yùn)行是人們所關(guān)注的問題。統(tǒng)計(jì)資料表明因鐵芯問題造成故障，占變壓器總事故中的第三位。制造部門對變壓器鐵芯缺陷已引起重視，并在鐵芯可*接地、鐵芯接地監(jiān)視，以及保證一點(diǎn)接地方面都進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。運(yùn)行部門也把檢測和發(fā)現(xiàn)鐵芯故障提到相當(dāng)高度。然而，變壓器鐵芯故障仍屢有發(fā)生，其原因主要是由于鐵芯多點(diǎn)接地和鐵芯接地不良造成。現(xiàn)對兩種故障情況的判定及處理方法作一介紹。

　　1、鐵芯正常時(shí)需要一點(diǎn)接地的原因

　　變壓器正常運(yùn)行時(shí)，帶電的繞組與油箱之間存在電場，而鐵芯和其他金屬構(gòu)件處于該電場中。由于電容分布不均，場強(qiáng)各異，假如鐵芯不可*接地，則將產(chǎn)生充放電現(xiàn)象，破壞固體絕緣和油的絕緣強(qiáng)度，所以鐵芯必須有一點(diǎn)可靠接地。

　　鐵芯由硅鋼片組成，為減小渦流，片間有一定的絕緣電阻（一般僅幾歐姆至幾十歐姆），由于片間電容極大，在交變電場中可視為通路，因而鐵芯中只需一點(diǎn)接地即可將整疊的鐵芯疊片電位箝制在地電位。

　　當(dāng)鐵芯或其金屬構(gòu)件如有兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上（多點(diǎn)）接地時(shí)，則接地點(diǎn)間就會(huì)造成閉合回路，它鍵鏈部分磁通，感生電動(dòng)勢，并形成環(huán)路，產(chǎn)生局部過熱，甚至燒毀鐵芯。

　　變壓器鐵芯只有一點(diǎn)接地，才是可*的正常接地。即鐵芯必須接地，且必須是一點(diǎn)接地。

　　鐵芯故障主要由兩個(gè)方面原因引起，一是施工工藝不良造成短路，二是由于附件和外界因素引起多點(diǎn)接地。

　　2、鐵芯多點(diǎn)接地類型

　　（1）安裝變壓器竣工后，未將油箱頂蓋上運(yùn)輸?shù)亩ㄎ讳N翻轉(zhuǎn)過來或去除掉，構(gòu)成多點(diǎn)接地。

　　（2）由于鐵芯夾件肢板距芯柱太近、鐵芯疊片因某種原因翹起后，觸及到夾件肢板，形成多點(diǎn)接地。

　　（3）鐵軛螺桿的襯套過長，與鐵軛疊片相碰，構(gòu)成了新的接地點(diǎn)。

　　（4）鐵芯下夾件墊腳與鐵軛間的絕緣紙板脫落或破損，使墊腳鐵軛處疊片相碰造成接地。

　　（5）具有潛油泵裝置的大中型變壓器，由于潛油泵軸承磨損，金屬粉末進(jìn)入油箱中，淤積油箱底部，在電磁力作用下形成橋路，將下鐵軛與墊腳或箱底接通，形成多點(diǎn)接地。

　　（6）油浸變壓器油箱蓋上的溫度計(jì)座套過長，與上夾件或鐵軛、旁柱邊沿相碰，構(gòu)成新的接地點(diǎn)。

　　（7）油浸變壓器油箱中落入了金屬異物，這類金屬異物使鐵芯疊片和箱體構(gòu)通，形成接地。

　　（8）下夾件與鐵軛階梯間的木墊塊受潮或表面不清潔，附有較多的油泥，使其絕緣電阻值降為零時(shí)，構(gòu)成了多點(diǎn)接地。

　　3、多點(diǎn)接地時(shí)出現(xiàn)的異常現(xiàn)象

　　（1）在鐵芯中產(chǎn)生渦流，鐵損增加，鐵芯局部過熱。

　　（2）多點(diǎn)接地嚴(yán)重時(shí)，又較長時(shí)間未處理，變壓器連續(xù)運(yùn)行將導(dǎo)致油及繞組也過熱，使油紙絕緣逐漸老化。會(huì)引起鐵芯疊片兩片絕緣層老化而脫落，將引起更大的鐵芯過熱，鐵芯將燒毀。

　　（3）較長時(shí)間多點(diǎn)接地，使油浸變壓器油劣化而產(chǎn)生可燃性氣體，使氣體繼電器動(dòng)作。

　　（4）因鐵芯過熱使器身中木質(zhì)墊塊及夾件碳化。

　　（5）嚴(yán)重的多點(diǎn)接地會(huì)使接地線燒斷，使變壓器失去了正常的一點(diǎn)接地，后果不堪設(shè)想。

　　（6）多點(diǎn)接地也會(huì)引起放電現(xiàn)象。

　　4、多點(diǎn)接地故障的檢測

　　鐵芯多點(diǎn)接地故障判定方法通常從兩方面檢測：

　　（1）進(jìn)行氣相色譜分析。色譜分析中如氣體中的甲烷及烯烴組分含量較高，而一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w含量和已往相比變化不大，或含量正常，則說明鐵芯過熱，鐵芯過熱可能是由于多點(diǎn)接地所致。

　　（2）測量接地線有無電流。可在變壓器鐵芯外引接地套管的接地引線上，用鉗形表測量引線上是否有電流。變壓器鐵芯正常接地時(shí)，因無電流回路形成。接地線上電流很小，為毫安級（一般小于0.3A）。當(dāng)存在多點(diǎn)接地時(shí)，鐵芯主磁通四周相當(dāng)于有短路匝存在，匝內(nèi)流過環(huán)流，其值決定于故障點(diǎn)與正常接地點(diǎn)的相對位置，即短路匝中包圍磁通的多少。一般可達(dá)幾十安培。利用測量接地引線中有無電流，很準(zhǔn)確地判定出鐵芯有無多點(diǎn)接地故障。

　　5、多點(diǎn)接地故障的排除

　　（1）變壓器不能停運(yùn)時(shí)的臨時(shí)排除方法：

　　有外引接地線，假如故障電流較大時(shí)，可臨時(shí)打開地線運(yùn)行。但必須加強(qiáng)監(jiān)視，以防故障點(diǎn)消失后使鐵芯出現(xiàn)懸浮電位。

　　假如多點(diǎn)接地故障屬于不穩(wěn)定型，可在工作接地線中串入一個(gè)滑線電阻，使電流限制在1A以下。滑線電阻的選擇，是將正常工作接地線打開測得的電壓除以地線上的電流。

　　要用色譜分析監(jiān)視故障點(diǎn)的產(chǎn)氣速率。

　　通過測量找到確切的故障點(diǎn)后，假如無法處理，則可將鐵芯的正常工作接地片移至故障點(diǎn)同一位置，用以較大幅度地減少環(huán)流。

　　（2）徹底檢修措施。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)變壓器存在多點(diǎn)接地故障后，對于可停運(yùn)的變壓器，應(yīng)及時(shí)停運(yùn)，退出后徹底消除多點(diǎn)接地故障。排除此類故障的方法，根據(jù)多點(diǎn)接地類型及原因，應(yīng)采取相應(yīng)的檢修措施。但也有某些情況，停電吊芯后找不到故障點(diǎn)，為了能確切找到接地點(diǎn)，現(xiàn)場可采用如下方法。

　　直流法。將鐵芯與夾件的連接片打開，在軛兩側(cè)的硅鋼片上通入6V的直流，然后用直流電壓表依次測量各級硅鋼片間的電壓，當(dāng)電壓等于零或者表指示反向時(shí)，則可認(rèn)為該處是故障接地點(diǎn)。

　　交流法。將變壓器低壓繞組接入交流電壓220～380V，此時(shí)鐵芯中有磁通存在。假如有多點(diǎn)接地故障時(shí)，用毫安表測量會(huì)出現(xiàn)電流（鐵芯和夾件的連接片應(yīng)打開）。用毫安表沿鐵軛各級逐點(diǎn)測量，當(dāng)毫安表中電流為零時(shí)，則該處為故障點(diǎn)。

　　變壓器鐵芯截面積計(jì)算

　　小型單相變壓器多采用殼式鐵芯，變壓器鐵芯截面積與變壓器的容量有關(guān)，一般按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

　　A=k√s（cm2）

　　式中，s為變壓器的容量；k為系數(shù)。硅鋼片的k值見表。

　　表鐵芯凈截面系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　根據(jù)計(jì)算得到的A值，可再借助A=a×b和b=（1~2）a的關(guān)系確定鐵芯寬a和鐵芯凈疊厚b。