CN108896624A - 一种变压器大型卷铁心卷绕效果的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器大型卷铁心卷绕效果的检测方法：在给定卷铁心内窗几何参数及心柱外截面半径的条件下，建立硅钢带各级的卷绕路径长度、截面宽度与卷绕级数之间的关系式，推导卷铁心在卷绕首尾外加直流电压源时的等效电阻公式，计算得到电阻的理论值；再对需要进行检测的卷铁心样品的卷绕首尾外加直流电压源并串接电流表，对回路电流进行测量，通过已知电源的电压值和电流表的读数，计算得到电阻的实验值；将等效电阻的实验值与理论值进行对比，判断铁心卷绕工艺是否满足生产要求。

Description

一种变压器大型卷铁心卷绕效果的检测方法

技术领域

本发明属于变压器大型卷铁心结构工艺检测技术领域，具体涉及一种变压器大型卷铁心卷绕效果的检测方法。

背景技术

相比于传统的叠铁心变压器，卷铁心变压器具有体积小、无接缝、噪声低等优点，能有效降低变压器的空载损耗。卷铁心的绕制工艺是铁心生产过程的重要环节，如果卷绕工艺出现问题，则可能会出现铁心过热、损耗增加，影响整个变压器甚至电力系统的运行状态。

卷铁心的绕制工艺可以描述为由宽度渐变的硅钢带在基础骨架上进行反复卷绕而成，整个过程借助相应机械实现。然而在绕制过程中，可能出现卷绕不合格的情况，比如毛刺刮坏硅钢片绝缘涂层引发片间短路、层间卷绕不够紧密存在气隙等等。要检测卷制后的铁心是否存在不满足工艺要求的问题，通常只能结合经验进行粗略评估，如通过肉眼多角度地进行观察，而这类评估步骤往往可靠性较差，且操作麻烦费时，大大降低了变压器的生产和运作效率。为此，开发一类具有操作简易、可靠性强等特点的卷绕工艺效果检测的手段显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种变压器大型卷铁心卷绕效果的检测方法，并通过如下技术手段实现：

1)本案卷铁心窗截面形状为圆角矩形，卷绕过程围绕给定参数的基础骨架展开，这些参数包括：心柱长度(p)、铁轭长度(q)、圆角半径(r)，硅钢带厚度(d)，以卷绕过程的第一级为例，在基础骨架的基础上，圆角半径和下铁轭长度会有所变化；同样地，第二级、第三级遵循类似的规律，它们满足如下递推关系：

l₁＝2π(r+d)+2(p+q)+d

l₂＝2π(r+2d)+2(p+q)+d

l₃＝2π(r+3d)+2(p+q)+d

……

可以看出，随着卷绕层数的增加，其卷绕长度会有细微的变化，这是由于硅钢带具有一定的厚度，卷绕堆砌后外径会增加，每增加一级，圆角半径增加一次厚度，于是逐级推算每一级卷绕路径长度，可以得到第i级的卷绕路径长度l_i的表达式为：

l_i＝2π(r+id)+2(p+q)+d

式中i∈{1,2,3,…,n,n+1,n+2,…,2n}，2n为硅钢带卷绕的总级数；

2)由于绝缘油漆的电阻率远大于硅钢片，在外加电源后，电流几乎完全沿着硅钢片卷绕的路径流动(实际上，即使外加高频电源，电流也很难在绝缘层处发生跃迁)。在卷绕过程中，叠片宽度会逐渐增加，保证垂直于轧制方向的截面近似为半圆形，以满足变压器线圈绕制的需要。然而这会导致硅钢片的截面积逐渐增大，电阻也随即改变。

为保证铁心截面为近似半圆形，硅钢带各级之间截面宽度呈现渐变的几何关系，且各级的首尾截面宽度m_j的表达式为：

其中，j∈{1,2,3,…,n,n+1,n+2,…,2n,2n+1}，R为心柱外截面半径；

3)每级硅钢带卷绕成型前的形状为宽度渐变的直角梯形，但由于截面宽度的非均匀变化，导致每个直角梯形的斜边首尾相接，构成一系列连续的折线段。取卷绕的第一级为研究对象，以卷绕起点为原点建立直角坐标系，则卷绕路径上任意位置x对应的截面宽度值满足如下关系：

同样地，取卷绕的第二级、第三级为对象，分别以它们各自的卷绕起点为原点建立坐标系，能得到类似的线性函数表达式。以此类推，可得卷绕第i级铁心硅钢带宽度g_i(x)与该级卷绕路径上的位置x的函数关系式：

4)硅钢带的多层级卷绕产生了2n段以不同参数变化的截面宽度值，当卷绕首尾加上直流电压源后，即刻会在硅钢带内部产生沿着卷绕路径方向的电流，而由于截面宽度的渐变特性，会让硅钢带产生2n段不同阻值的电阻，且它们满足串联关系。于是求解等效电阻的具体步骤如下：

(1)对截面宽度以各自参数变化的每级硅钢带的电阻进行独立求解：此处采用微元分析法，对于卷绕路径元长度dx，其对应的截面积为d·g_i(x)，根据电阻的定义式可得元长度dx的电阻值dR_i，最后对单级卷绕总长度l_i上进行积分，得到单级卷绕的总电阻R_i的表达式为：

式中ρ为硅钢带材质的电阻率。

(2)由于2n段不同阻值的电阻满足串联关系，求解等效电阻时需对它们进行求和。另外，由于真实结构的卷铁心是由两个完全对称的截面为近似半圆形的铁心拼装而成，相当于两个相同阻值的电阻并联，所以实际的等效电阻值应当是单个电阻的一半，于是得出硅钢带卷绕首尾外接直流电压源时的等效电阻的表达式：

式中表征卷绕总级数的参数n按照下式计算：

式中[·]为取整运算，m₁为硅钢带卷绕初始截面宽度；

5)在硅钢带卷绕整体的首尾外加直流电压源并串接电流表，对回路电阻进行测量，卷绕工艺是否合格根据下式进行评估：

式中ε为相对误差百分比；R_cal为电阻的计算值；R_exp为电阻的测量值，且满足R_exp＝U/I，其中U为外加直流电压源的电压值，I为电流表的读数。若ε≤5％则认为卷绕合格，否则认为存在问题，需进行缺陷排查。

本发明的有益效果在于，在给定卷铁心内窗几何参数及心柱外截面半径的条件下，建立硅钢带各级的卷绕路径长度、截面宽度与卷绕级数之间的关系式，推导卷铁心在卷绕首尾外加直流电压源时的等效电阻公式，得到电阻的理论值；再对需要进行检测的卷铁心样品的卷绕首尾外加直流电压源并串接电流表，对回路电阻进行测量，通过已知电源的电压值和电流表的读数，得到电阻的测量值；将等效电阻的测量值与理论值进行对比，从而对卷绕效果进行评估。

附图说明

图1为本发明中硅钢带逐级卷绕而成的卷铁心整体结构示意图。

图2为本发明中卷绕成型后的卷铁心心柱截面示意图。

图3为本发明中硅钢带截面宽度与卷绕路径的变化关系示意图。

图4为本发明中卷铁心等效电阻测量电路示意图。

图5为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施流程作进一步的详述。

图1为本发明中所述的硅钢带逐级卷绕而成的卷铁心整体结构示意图，通常从最里层开始，按照箭头方向进行卷绕。本案卷铁心窗截面形状为圆角矩形，卷绕过程围绕给定参数的基础骨架展开，这些参数包括：心柱长度(p)、铁轭长度(q)、圆角半径(r)，硅钢带厚度(d)，以卷绕过程的第一级为例，在基础骨架的基础上，圆角半径和下铁轭长度会有所变化；同样地，第二级、第三级遵循类似的规律，它们满足如下递推关系：

l₁＝2π(r+d)+2(p+q)+d

l₂＝2π(r+2d)+2(p+q)+d

l₃＝2π(r+3d)+2(p+q)+d

……

可以看出，随着卷绕层数的增加，其卷绕长度会有细微的变化，这是由于硅钢带具有一定的厚度，卷绕堆砌后外径会增加，每增加一级，圆角半径增加一次厚度，于是逐级推算每一级卷绕路径长度，可以得到第i级的卷绕路径长度l_i的表达式为：

l_i＝2π(r+id)+2(p+q)+d

式中i∈{1,2,3,…,n,n+1,n+2,…,2n}，2n为硅钢带卷绕的总级数；

图2为本发明中卷绕成型后的卷铁心心柱截面示意图。由于绝缘油漆的电阻率远大于硅钢片，在外加电源后，电流几乎完全沿着硅钢片卷绕的路径流动(实际上，即使外加高频电源，电流也很难在绝缘层处发生跃迁)。在卷绕过程中，叠片宽度会逐渐增加，保证垂直于轧制方向的截面近似为半圆形，以满足变压器线圈绕制的需要。然而这会导致硅钢片的截面积逐渐增大，电阻也随即改变。

图3为本发明中硅钢带截面宽度与卷绕路径的变化关系示意图。为保证铁心截面为近似半圆形，硅钢带各级之间截面宽度呈现渐变的几何关系，且各级的首尾截面宽度m_j的表达式为：

其中，j∈{1,2,3,…,n,n+1,n+2,…,2n,2n+1}，R为心柱外截面半径；

每级硅钢带卷绕成型前的形状为宽度渐变的直角梯形，但由于截面宽度的非均匀变化，导致每个直角梯形的斜边首尾相接，构成一系列连续的折线段。取卷绕的第一级为研究对象，以卷绕起点为原点建立直角坐标系，则卷绕路径上任意位置x对应的截面宽度值满足如下关系：

同样地，取卷绕的第二级、第三级为对象，分别以它们各自的卷绕起点为原点建立坐标系，能得到类似的线性函数表达式。以此类推，可得卷绕第i级铁心硅钢带宽度g_i(x)与该级卷绕路径上的位置x的函数关系式：

硅钢带的多层级卷绕产生了2n段以不同参数变化的截面宽度值，当卷绕首尾加上直流电压源后，即刻会在硅钢带内部产生沿着卷绕路径方向的电流，而由于截面宽度的渐变特性，会让硅钢带产生2n段不同阻值的电阻，且它们满足串联关系。于是求解等效电阻的具体步骤如下：

(1)对截面宽度以各自参数变化的每级硅钢带的电阻进行独立求解：此处采用微元分析法，对于卷绕路径元长度dx，其对应的截面积为d·g_i(x)，根据电阻的定义式可得元长度dx的电阻值dR_i，最后对单级卷绕总长度l_i上进行积分，得到单级卷绕的总电阻R_i的表达式为：

式中ρ为硅钢带材质的电阻率。

(2)由于2n段不同阻值的电阻满足串联关系，求解等效电阻时需对它们进行求和。另外，由于真实结构的卷铁心是由两个完全对称的截面为近似半圆形的铁心拼装而成，相当于两个相同阻值的电阻并联，所以实际的等效电阻值应当是单个电阻的一半，于是得出硅钢带卷绕首尾外接直流电压源时的等效电阻的表达式：

式中表征卷绕总级数的参数n按照下式计算：

式中[·]为取整运算，m₁为硅钢带卷绕初始截面宽度；

图4为本发明中卷铁心等效电阻测量电路示意图。在硅钢带卷绕整体的首尾外加直流电压源并串接电流表，对回路电阻进行测量，卷绕工艺是否合格根据下式进行评估：

式中ε为相对误差百分比；Rcal为电阻的计算值；Rex_p为电阻的测量值，且满足R_exp＝U/I，其中U为外加直流电压源的电压值，I为电流表的读数。若ε≤5％则认为卷绕合格，否则认为存在问题，需进行缺陷排查。

Claims (1)

1.一种变压器大型卷铁心卷绕效果的检测方法，其特征在于，所述变压器大型卷铁心为拼装式的卷铁心，单个卷铁心横截面为近似半圆形；包括以下步骤：

1)得到卷铁心内窗几何参数，包括心柱长度p、铁轭长度q、圆角半径r，硅钢带厚度d，逐级推算硅钢带各级的卷绕路径长度，得到第i级的卷绕长度l_i为：

l_i＝2π(r+id)+2(p+q)+d

式中i∈{1,2,3,…,n,n+1,n+2,…,2n}，2n为硅钢带卷绕的总级数；

2)根据硅钢带各级之间截面宽度呈现渐变的几何关系，得到硅钢带各级首尾截面宽度m_j为：

式中j∈{1,2,3,…,n,n+1,n+2,…,2n,2n+1}，R为心柱外截面半径；

3)用函数g_i(x)来表征硅钢带卷绕第i级内部的截面宽度，其与卷绕路径上的位置x的变化关系式为：

4)根据卷铁心内窗几何参数、心柱外截面半径所确定的硅钢带各级卷绕路径长度l_i、各级内部的截面宽度g_i(x)，得出在硅钢带卷绕整体的首尾外加直流电压源时的等效电阻为：

式中ρ为硅钢带材质电阻率，表征卷绕总级数的参数n按照下式计算：

式中[·]为取整运算，m₁为硅钢带卷绕初始截面宽度；

5)在硅钢带卷绕整体的首尾外加直流电压源并串接电流表，对回路电阻进行测量，卷绕工艺是否合格根据下式进行评估：

式中ε为相对误差百分比，R_cal为电阻的计算值；R_exp为电阻的测量值，且满足R_exp＝U/I，其中U为外加直流电压源的电压值，I为电流表的读数；若ε≤5％则认为卷绕合格，否则认为存在问题，需进行缺陷排查。