谈S11型、S9型10KV电力变压器节材设计

1 节材设计原则
　　　　 根据我国目前的国情，中小型变压器节材设计应遵守一些原则，即电气绝缘强度不能降低、加工工艺不能过于复杂、加工工艺成本不能增加过大及铁心材料尽量不使用价格高、市场供货量少的高标号硅钢片，如27Q100、27Q110、27Q120等，而尽量使用30Q130（用与S11产品）、30Q140、30Q147（用与S9产品）等损耗性能相当的硅钢片。在本文中只谈叠铁心变压器，对卷铁心变压器不涉及。
　　　　 在20世纪设计的变压器，其铜铁重量比基本上按1：2的原则，铜价价格比也接近于2：1。节材设计时主要侧重于降低铜材重量，因为降低1kg铜的经济效益相当于降低2kg硅钢片的经济效益。目前市场钢材每吨超过7万元，硅钢片（武钢30Q140）约为3.8万元。钢铁价格比为1.8：1。现在总体考虑要降低总耗材，减少总重量，从满足节材的目的，我们经过设计实践认为钢铁重量比目前应控制在1：1.8以上较为合适。

2 长圆形铁心、长圆形绕组
　　　　 从变压器设计思想的角度考虑，总希望铁心的有效截面积要足够大，而同时绕组的圆周长又足够短，或者说随铁心截面的增加绕组的匝长应增加得较少，这样就可以达到节约钢铁的目的。我们受S9半油道的启发（半油道就是绕组由正圆形改为椭圆形，而使铁心M。减小5mm ,节约部分铜铁）。将绕组、铁心都改为长圆形（见图1），这样的铁心实为将圆形铁心分为两个半圆，在中间增加了2Ｒ×δ的矩形铁心。这样铁心可将中间矩形的厚度δ作适度的调整来改变铁心的截面，而同时绕组的周长也会有少许增加。
　　　　 在铁心截面为圆形时，铁心截面积要增大，外围圆周长必然有增量2△Ｒπ 。因所有定长外围组成的几何图中圆形为最大面积，而又有两点间距离最短的是直接距离，两半圆形所围成的面积为最大面积，而中间2Ｒ×δ的矩形部分对外围周长增量△2Ｒ×δ的直线长度，2Ｒ的长度并没有增加。
　　　　 在设计绕组和器身时，主绝缘、纵绝缘距离、散热面积均不得减小。以保证变压器电气绝缘强度不降低，技术性能不降低，保证变压器有与统一设计同样的散热、抗冲击能力。
　　　　 例如，ΦＤ=210ｍｍ，Ａt=325.4cｍ2。外圆周长Ｌ=210π=659.7ｍｍ。采用长圆铁心时ΦＤ=160ｍｍ，矩形部分2Ｒ=160ｍｍ，δ=85.4ｍｍ。矩形部分Ａt=188.8ｃｍ2，总面积Ａt=325.4ｃｍ2，外围Ｌ=160π+2δ=673.4ｍｍ。
　　　　 对两种方案进行比较，铁心有效截面相当，绕组用铜量相当，但铁心ΦＤ=210ｍｍ与ΦＤ=160ｍｍ相比两者相差50ｍｍ，这就是说Ｍ可缩小50ｍｍ，铁心质量相应减少48 kg。长圆形铁心在应用中若确定ΦＤ后，由设计需要而对中间的矩形部分的厚度δ作适当调整，以满足铁心截面对电磁设计的要求。在圆形铁心的调整时需调整ΦＤ的大小，造成绕组铜材的增加幅度要大于长圆形只增加δ的幅度。由此可见，采用长圆形的铁心能够节约可观的硅钢片、铜线等材料的重量。
3 节材效果
几年来，我们已经用长圆形铁心生产了S11型10KV、S9型10KV变压器近1000台，生产的产品各项性能全部达到合格品或一等品的标准。例如S11—630/10性能平均值Ｐ0=804~822Ｗ，Ｐk=6185~6290Ｗ，Ｕk=4.39%~4.54%，Ｉ0=0.31%（标准为Ｐ0=810Ｗ，Ｐk=6200Ｗ，Ｕk=4.5%，Ｉ0=0.27%）。生产的产品有52%已经上网运行两年以上，用户反映良好，无不良质量问题反馈。S11—315/10在武高所完成型式试验，结论合格。
长圆形铁心、绕组生产过程中，不需要增加新的专用设备，生产工艺与S9型10KV叠铁心生产工艺基本相似。除了绕组绕制比圆形绕组增加7%~8%的工时外，其余工序均不增加工时。以S11—630/10为例，圆形绕组每台需3人7h，而长圆形绕组每台需3人7.5 h，共增加用工1.5 h，按每小时综合工时成本80元计算，则需增加费用120元。
使用材料质量见表1、表2。表1中S11型10KV变压器铁心材料使用30Q130硅钢片，而统一设计的圆形铁心使用27Q100硅钢片，比30Q130每kg要增加成本5~6元。表2中S9型10KV变压器铁心使用30Q140或30Q147硅钢片。
以630KVA变压器为例：
　　 S11—630/10可降低材料消耗：铜材75kg，硅钢片137 kg ，变压器油171kg，油箱钢材180 kg。
S9—630/10可降低材料消耗：铜材83kg，硅钢片111 kg ，变压器134kg，油箱钢材91kg。
　　 材料价格按：铜材65元/ kg，硅钢片30Q14038元/kg，27Q11042元/kg（原设计S11用），变压器油7元/kg，油箱按8.7元/kg。
　　　　　　S11—630/10新旧设计材料成本对比如下：
　　　　　　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。