大容量励磁变压器铁芯设计方法以及铁芯结构和变压器与流程

1.本发明涉及大容量励磁变压器铁芯设计方法以及铁芯结构和变压器，属于变压器技术领域。


背景技术：

2.柔性低频输电是一种兼顾了直流和交流优势的新型输电技术，可应用于中远距离海上风电等现实场景。但低频系统与工频系统相比，低频要求的设备容量比工频时大，220kv变压器在工频时，要求的变频电源容量在260kw就能满足，而低频时设计容量需要达到450kw，因此相关的低频励磁变压器的容量也增加到了450kva。
3.励磁变压器的主要作用是在变压器局部放电试验或串联谐振耐压试验时，将励磁变压器输出抬高至合适的电压，加至被试变压器低压侧或电抗器低压侧，且励磁变压器变比选择要合适，尽量使变频电源输出电压接近350v(此时变频电源利用效率最佳)。
4.因此需要设计一种450kva大容量的励磁变压器，以满足柔性低频输电需求。
5.进一步，为适用于中远距离海上风电等现实场景，低频励磁变压器一般需要装配在集装箱内，但现有的变压器高度普遍超高，无法安装在集装箱内，因此需要设计一种适用于标准一体化集装箱，结构紧凑，并且不会造成整体性能降低的大容量励磁变压器。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的一在于提供一种通过构建截面积计算模型、叠片处理模型，对变压器容量进行处理，得到所需变压器铁芯截面积；并根据所需变压器铁芯截面积以及待装配空间大小，计算出所需叠片宽度和所需叠片厚度；根据所需叠片宽度和所需叠片厚度，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计，从而能够满足柔性低频输电需求，方案简单、实用的大容量励磁变压器铁芯设计方法。
7.本发明的目的二在于提供一种铁芯采用横放设计，可以有效降低变压器高度，适用于一体化集装箱；并且铁芯柱截面为多级阶梯形结构，并轴向对称；多级阶梯形结构的每级由多个同种宽度的硅钢片叠而成，使其方案可行，结构紧凑，便于生产制造的大容量励磁变压器铁芯结构。
8.本发明的目的三在于提供一种铁芯采用横放设计，72.5kv套管采用凹陷式斜放，显著减小变压器高度，使其适用于一体化集装箱，并对相应零部件进行改变，，使其方案可行，结构紧凑，便于生产制造的大容量励磁变压器。
9.为实现上述目的之一，本发明的第一种技术方案为：
10.一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，
11.包括以下步骤：
12.第一步，获取待设计励磁变压器的变压器容量；
13.第二步，通过预先构建的截面积计算模型，对变压器容量进行处理，得到所需变压器铁芯截面积；
14.第三步，利用预先构建的叠片处理模型，并根据所需变压器铁芯截面积以及待装配空间大小，计算出所需叠片宽度和所需叠片厚度；
15.第四步，根据所需叠片宽度和所需叠片厚度，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计。
16.本发明经过不断探索以及试验，通过构建截面积计算模型、叠片处理模型，对变压器容量进行处理，得到所需变压器铁芯截面积；并根据所需变压器铁芯截面积以及待装配空间大小，计算出所需叠片宽度和所需叠片厚度；根据所需叠片宽度和所需叠片厚度，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计，从而能够满足柔性低频输电需求，方案简单、实用。
17.作为优选技术措施：
18.所述第一步中，变压器容量为450kva。
19.作为优选技术措施：
20.所述第二步中，所需变压器铁芯截面积的计算公式如下：
[0021][0022]
式中，l为变压器容量；x为叠片系数，其取值为14.2。
[0023]
作为优选技术措施：
[0024]
所述第三步中，构建叠片处理模型的方法如下：
[0025]
步骤31，根据待装配空间大小，计算铁芯柱外接圆直径；
[0026]
步骤32，利用铁芯柱外接圆直径，通过迭代以及偏导运算，计算各级叠片对应的调整角度，以无限逼近所需变压器铁芯截面积；
[0027]
步骤33，根据调整角度，计算叠片宽度和叠片厚度；
[0028]
步骤34，通过叠片宽度和叠片厚度，计算出铁芯截面积；
[0029]
步骤35，将铁芯截面积和所需变压器铁芯截面积作差，得到差值，
[0030]
当差值在设定的阈值范围内，说明已经无限逼近所需变压器铁芯截面积，对应的叠片宽度和叠片厚度即为所需叠片宽度和所需叠片厚度，从而完成叠片处理模型的构建。
[0031]
所述阈值范围为0-10。
[0032]
作为优选技术措施：
[0033]
叠片宽度的计算公式如下：
[0034]bn
＝rcosθn[0035]
叠片厚度的计算公式如下：
[0036][0037]
其中，an、bn为相应叠片的厚度和宽度；
[0038]
r为铁芯柱外接圆直径；
[0039]
θn为相应叠片对应的角度。
[0040]
作为优选技术措施：
[0041]
铁芯截面积的计算公式如下：
[0042]
sn＝∑a
nbn
。
[0043]
为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案为：
[0044]
一种大容量励磁变压器铁芯结构，
[0045]
采用上述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，
[0046]
其包括若干片横置的铁芯；
[0047]
所述铁芯为半直半斜结构，其由两对硅钢片拼接组成；
[0048]
若干片铁芯堆叠在一起，形成铁芯柱；
[0049]
铁芯柱截面为多级阶梯形结构，并轴向对称；
[0050]
多级阶梯形结构的每级由多个同种宽度的硅钢片叠而成。
[0051]
本发明经过不断探索以及试验，铁芯采用横放设计，可以有效降低变压器高度，适用于一体化集装箱；并且铁芯柱截面为多级阶梯形结构，并轴向对称；多级阶梯形结构的每级由多个同种宽度的硅钢片叠而成，使其方案可行，结构紧凑，便于生产制造。
[0052]
同时利用截面积计算模型、叠片处理模型，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计，不会造成整体性能降低，并能够满足柔性低频输电需求。
[0053]
作为优选技术措施：
[0054]
大容量励磁变压器铁芯结构的变压器容量为450kva，其铁芯有效面积为s；
[0055]
301.961cm2≤s≤310cm2；
[0056]
所述铁芯柱截面近似为圆形，其半径为r；
[0057]
10.3cm≤r≤12cm。
[0058]
为实现上述目的之一，本发明的第三种技术方案为：
[0059]
一种大容量励磁变压器，包括上述的一种大容量励磁变压器铁芯结构、夹件、高压引线、高低压线圈、器身绝缘、低压引线、低压套管、高压套管、变压器油箱、储油柜；
[0060]
大容量励磁变压器铁芯结构中的铁芯横放设置，以降低变压器高度；
[0061]
夹件，用来固定铁芯；
[0062]
低压套管，内接低压引线；
[0063]
低压引线采用双绕组，其额定输入为2
×
350v，每个绕组有400v、450v抽头，用于微调高压侧输出电压，其能串联使用，共装设8个低压套管；
[0064]
高压套管的首端采用72.5kv套管，尾端采用10kv套管引出，其能对称输出
±
70kv；
[0065]
72.5kv套管采用凹陷式斜放布置；
[0066]
变压器油箱内充满变压器油，用于浸没铁芯和绕组；
[0067]
所述变压器油，用于当作绝缘介质以及冷却介质；
[0068]
储油柜为圆筒形，其通过连通管与变压器油箱相通，并装设油温测量和压力释放阀。
[0069]
本发明经过不断探索以及试验，铁芯采用横放设计，72.5kv套管采用凹陷式斜放，显著减小变压器高度，使得本发明适用于一体化集装箱，并对相应零部件进行改变，使其方案可行，结构紧凑，便于生产制造。
[0070]
同时利用截面积计算模型、叠片处理模型，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计，不会造成整体性能降低，并能够满足柔性低频输电需求。
[0071]
作为优选技术措施：
[0072]
大容量励磁变压器的尺寸为长2500mm
×
宽1750mm
×
高1900mm，重5.6t，其外壳为油浸铁壳，外表面喷涂油漆；
[0073]
大容量励磁变压器的额定频率为30-300hz，其低压绕组采用串联方式接线，使用
频率能从15hz开始，半容量使用，实现15-300hz的频率调节。
[0074]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0075]
本发明经过不断探索以及试验，通过构建截面积计算模型、叠片处理模型，对变压器容量进行处理，得到所需变压器铁芯截面积；并根据所需变压器铁芯截面积以及待装配空间大小，计算出所需叠片宽度和所需叠片厚度；根据所需叠片宽度和所需叠片厚度，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计，从而能够满足柔性低频输电需求，方案简单、实用。
[0076]
进一步，本发明经过不断探索以及试验，铁芯采用横放设计，可以有效降低变压器高度，适用于一体化集装箱；并且铁芯柱截面为多级阶梯形结构，并轴向对称；多级阶梯形结构的每级由多个同种宽度的硅钢片叠而成，使其方案可行，结构紧凑，便于生产制造。
[0077]
同时利用截面积计算模型、叠片处理模型，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计，不会造成整体性能降低，并能够满足柔性低频输电需求。
[0078]
再进一步，本发明经过不断探索以及试验，铁芯采用横放设计，72.5kv套管采用凹陷式斜放，显著减小变压器高度，使得本发明适用于一体化集装箱，并对相应零部件进行改变，使其方案可行，结构紧凑，便于生产制造。
附图说明
[0079]
图1为本发明试验平台一体化集装箱的一种结构示图；
[0080]
图2为本发明铁芯结构的一种示图；
[0081]
图3为本发明硅钢片的具体参数设计示图；
[0082]
图4和图5为本发明一柱铁芯截面积的示意图；
[0083]
图6为本发明设计方法的一种流程图；
[0084]
图7为本发明励磁变压器的一种结构示图；
[0085]
图8为图7所示结构转换一定角度的示图；
[0086]
图9为图8所示结构转换一定角度的示图；
[0087]
图10为本发明励磁变压器内部结构的一种剖视图。
[0088]
附图标记说明：
[0089]
100、标准一体化集装箱；200、大容量励磁变压器；300、变频电源；400、配电柜；20、外壳；21、低压套管；22、高压套管；23、72.5kv套管；24、变压器油箱；25、储油柜；26、油温测量；27、压力释放阀；30、铁芯；3、夹件；32、高压引线；33、高低压线圈；34、器身绝缘；35、低压引线。
具体实施方式
[0090]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0091]
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0092]
需要说明的是，当两个元件“固定连接”或“装配连接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0093]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
[0094]
如图1所示，本发明大容量励磁变压器铁芯设计方法的一种具体实施例：
[0095]
由于低频系统的励磁变压器容量的增加，导致其体积和重量有较大增加，变压器的高度有较大增加。为适用于标准一体化集装箱100，降低变压器的高度以满足公路限高的要求，本发明的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法将对变压器的铁芯结构、铁芯布置方式和套管布置形式进行优化设计，设计一种450kva/2
×
70kv的大容量励磁变压器。
[0096]
铁芯结构设计为“口字型”，如图2所示。一片铁芯是由两对硅钢片拼接组成，序号2-9与10-17硅钢片的具体参数如图3所示。铁芯为半直半斜结构，铁芯片张数以叠厚为准，将其堆叠在一起后，其一柱的截面如图4、图5所示，近似为一个半径为10.3cm的圆形，铁芯有效面积为301.961cm2，叠片系数为0.97。
[0097]
为了充分利用圆形绕组内空间，铁芯柱截面常采用多级阶梯形结构，如图4所示，截面在圆内是轴向对称的。阶梯形结构的每级都是由许多同种宽度的硅钢片叠起来的，当铁芯柱外接圆直径一定时，尽量使铁芯柱有效面积最大。铁芯截面最大面积计算是一个典型极值问题，推导出各级片宽和叠厚的关系，通过迭代计算求得较优的铁芯截面设计，具体计算过程如下：
[0098]
叠片宽度：bn＝rcosθn[0099]
叠片厚度：
[0100]
有效面积：sn＝∑a
nbn
[0101]
求sn的最大值，分别对θ1、θ2……
θn求偏导，令偏导等于0；
[0102]
所得结果代入an、bn，得到：
[0103][0104][0105][0106]
一般硅钢片级数大于2，有b2》0，则
[0107]
当b1确定后，其他值皆可确定，迭代流程如图6所示。
[0108]
所述标准一体化集装箱100内部装配大容量励磁变压器200、变频电源300、配电柜400。
[0109]
如图7、图8、图9、图10所示，本发明大容量励磁变压器的一种具体实施例：
[0110]
一种大容量励磁变压器，包括铁芯30、夹件3、高压引线32、高低压线圈33、器身绝
缘34、低压引线35、低压套管21、高压套管22、变压器油箱24、储油柜25。
[0111]
铁芯30采用横放设计，可以降低变压器高度，适用于一体化集装箱设计。其叠装方式同图3所示。
[0112]
本发明大容量励磁变压器为450kva/2
×
70kv励磁变压器，如图6所示，长2500mm
×
宽1750mm
×
高1900mm，重5.6t。
[0113]
励磁变压器的外壳20采用油浸铁壳式，外表面喷涂油漆。
[0114]
低压套管21为1kv套管，内接低压引线35。低压引线35采用双绕组，额定输入为2
×
350v，每个绕组有400v、450v抽头，用于微调高压侧输出电压，可以串联使用，共装设8个低压套管21，安装位置俯视图可见。变压器额定频率为30-300hz，在低压绕组采用串联方式接线时，使用频率可从15hz开始，半容量使用，实现15-300hz的频率调节。
[0115]
变压器高压侧为双绕组，最高输出为70kv，高压套管22首端采用72.5kv套管23，尾端采用10kv套管引出，可对称输出
±
70kv。72.5kv套管23较高，竖放会使变压器高度增加，不利于一体化集装箱设计，故采用图中所示凹陷式斜放，显著减小变压器高度。
[0116]
变压器油箱24内充满了变压器油，铁芯30和绕组等组件都浸在油箱内，变压器油既是绝缘介质，又是冷却介质。由于励磁变压器在额定电压和额定电流下允许连续运行时间为120min，不会长期运行，故冷却方式采用onan，绝缘耐热等级为a级。
[0117]
储油柜25设计为圆筒形，储油柜25通过连通管与油箱相通，柜内油面高度随变压器油的热胀冷缩而变动。储油柜25使油与空气的接触面积减小，从而减小油的氧化和水分侵入。同时装设油温测量26和压力释放阀27。
[0118]
应用本发明方法的一种设备实施例：
[0119]
一种计算机设备，其包括：
[0120]
一个或多个处理器；
[0121]
存储装置，用于存储一个或多个程序；
[0122]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法。
[0123]
应用本发明方法的一种计算机介质实施例：
[0124]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法。
[0125]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0126]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0127]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0128]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0129]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，获取待设计励磁变压器的变压器容量；第二步，通过预先构建的截面积计算模型，对变压器容量进行处理，得到所需变压器铁芯截面积；第三步，利用预先构建的叠片处理模型，并根据所需变压器铁芯截面积以及待装配空间大小，计算出所需叠片宽度和所需叠片厚度；第四步，根据所需叠片宽度和所需叠片厚度，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计。2.如权利要求1所述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，其特征在于，所述第一步中，变压器容量为450kva。3.如权利要求1所述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，其特征在于，所述第二步中，所需变压器铁芯截面积的计算公式如下：式中，l为变压器容量；x为叠片系数。4.如权利要求1所述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，其特征在于，所述第三步中，构建叠片处理模型的方法如下：步骤31，根据待装配空间大小，计算铁芯柱外接圆直径；步骤32，利用铁芯柱外接圆直径，通过迭代以及偏导运算，计算各级叠片对应的调整角度，以无限逼近所需变压器铁芯截面积；步骤33，根据调整角度，计算叠片宽度和叠片厚度；步骤34，通过叠片宽度和叠片厚度，计算出铁芯截面积；步骤35，将铁芯截面积和所需变压器铁芯截面积作差，得到差值，当差值在设定的阈值范围内，说明已经无限逼近所需变压器铁芯截面积，对应的叠片宽度和叠片厚度即为所需叠片宽度和所需叠片厚度，从而完成叠片处理模型的构建。5.如权利要求4所述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，其特征在于，叠片宽度的计算公式如下：b
n
＝rcosθ
n
叠片厚度的计算公式如下：其中，a
n
、b
n
为相应叠片的厚度和宽度；r为铁芯柱外接圆直径；θ
n
为相应叠片对应的角度。6.如权利要求5所述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，其特征在于，铁芯截面积的计算公式如下：s
n
＝∑a
n
b
n
。7.一种大容量励磁变压器铁芯结构，其特征在于，采用如权利要求1-6任一所述的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，
其包括若干片横置的铁芯；所述铁芯为半直半斜结构，其由两对硅钢片拼接组成；若干片铁芯堆叠在一起，形成铁芯柱；铁芯柱截面为多级阶梯形结构，并轴向对称；多级阶梯形结构的每级由多个同种宽度的硅钢片叠而成。8.如权利要求7所述的一种大容量励磁变压器铁芯结构，其特征在于，大容量励磁变压器铁芯结构的变压器容量为450kva，其铁芯有效面积为s；301.961cm2≤s≤310cm2；所述铁芯柱截面近似为圆形，其半径为r；10.3cm≤r≤12cm。9.一种大容量励磁变压器，其特征在于，包括如权利要求7-8任一所述的一种大容量励磁变压器铁芯结构、夹件(3)、高压引线(32)、高低压线圈(33)、器身绝缘(34)、低压引线(35)、低压套管(21)、高压套管(22)、变压器油箱(24)、储油柜(25)；大容量励磁变压器铁芯结构中的铁芯(30)横放设置，以降低变压器高度；夹件(3)，用来固定铁芯(30)；低压套管(21)，内接低压引线(35)；低压引线(35)采用双绕组，其额定输入为2
×
350v，每个绕组有400v、450v抽头，用于微调高压侧输出电压，其能串联使用，共装设8个低压套管(21)；高压套管(22)的首端采用72.5kv套管，尾端采用10kv套管引出，其能对称输出
±
70kv；72.5kv套管采用凹陷式斜放布置；变压器油箱(24)内充满变压器油，用于浸没铁芯(30)和绕组；所述变压器油，用于当作绝缘介质以及冷却介质；储油柜(25)为圆筒形，其通过连通管与变压器油箱(24)相通，并装设油温测量(26)和压力释放阀(27)。10.如权利要求9所述的一种大容量励磁变压器，其特征在于，大容量励磁变压器的尺寸为长2500mm
×
宽1750mm
×
高1900mm，重5.6t，其外壳为油浸铁壳，外表面喷涂油漆；大容量励磁变压器的额定频率为30-300hz，其低压绕组采用串联方式接线，使用频率能从15hz开始，半容量使用，实现15-300hz的频率调节。

技术总结
本发明公开了大容量励磁变压器铁芯设计方法以及铁芯结构和变压器，属于变压器技术领域。本发明的一种大容量励磁变压器铁芯设计方法，通过构建截面积计算模型、叠片处理模型，对变压器容量进行处理，得到所需变压器铁芯截面积；并根据所需变压器铁芯截面积以及待装配空间大小，计算出所需叠片宽度和所需叠片厚度；根据所需叠片宽度和所需叠片厚度，完成大容量励磁变压器铁芯结构设计，从而能够满足柔性低频输电需求。同时本发明铁芯采用横放设计，可以有效降低变压器高度，适用于一体化集装箱；并且铁芯柱截面为多级阶梯形结构，并轴向对称；多级阶梯形结构的每级由多个同种宽度的硅钢片叠而成，使其方案可行，结构紧凑，便于生产制造。制造。制造。


技术研发人员：林浩凡 杨智 梁苏宁 郑一鸣 马钰 詹江杨 金涌涛 于兵 杨勇 张衍圣
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：2023.01.11
技术公布日：2023/7/12