变压器铁芯叠装与绕组绕制

变压器铁芯叠装与绕组绕制变压器作为电力系统中能量转换与传输的核心设备，其性能直接取决于铁芯与绕组两大关键部件的制造工艺。铁芯作为磁路的载体，其叠装工艺决定了磁导率、损耗及机械稳定性；绕组作为电路的核心，其绕制工艺则影响着电气绝缘、散热效率及抗短路能力。二者的协同设计与精密制造，是确保变压器长期稳定运行的基础。一、变压器铁芯叠装技术（一）铁芯材料的选择与特性铁芯材料的选择是变压器设计的起点，其性能直接影响变压器的空载损耗、励磁电流及机械强度。目前主流的铁芯材料为取向硅钢片，其核心特性在于通过冷轧工艺使硅钢晶粒沿轧制方向高度取向，从而在该方向上获得极低的磁滞损耗和涡流损耗。取向硅钢片的关键参数硅含量：通常在3%左右，硅的加入可显著提高材料的电阻率，从而降低涡流损耗。但硅含量过高会导致材料脆性增加，加工难度上升。铁损值（P1.7/50）：这是衡量硅钢片质量的核心指标，表示在1.7T磁通密度、50Hz频率下的单位重量铁损。高端变压器通常选用P1.7/50低于0.8W/kg的高牌号硅钢片。磁感值（B800）：表示在800A/m磁场强度下的磁通密度，反映材料的导磁能力。高磁感值意味着可以在较低的励磁电流下建立所需的磁通，减少空载电流。叠片系数：指硅钢片叠装后，实际铁芯有效截面积与理论截面积的比值。它受材料平整度、表面涂层及叠装压力影响，通常在0.95-0.97之间。叠片系数越高，铁芯的有效磁路越通畅。材料表面处理绝缘涂层：硅钢片表面会涂覆一层极薄的无机或有机绝缘涂层。其主要作用是：降低涡流损耗：涂层将相邻硅钢片在电气上隔离，迫使涡流只能在单片内部流动，从而限制了涡流路径的截面积，显著降低涡流损耗。防止片间短路：避免因硅钢片表面氧化膜破损或毛刺导致的片间导电，形成局部过热。提高叠片系数：优质的涂层具有良好的平整度和弹性，有助于在叠装时紧密贴合。激光刻痕与等离子处理：对于超高压、大容量变压器，为进一步降低高磁通密度下的附加损耗，会对硅钢片进行激光刻痕或等离子处理。这些工艺会在硅钢片表面形成微小的、不连续的沟槽或改性层，有效阻断涡流在晶粒边界的扩展路径，从而降低损耗。（二）铁芯叠装的工艺步骤铁芯叠装是一个高度依赖精度和经验的手工与机械结合的过程，其目标是构建一个磁阻最小、损耗最低、机械强度足够的闭合磁路。叠片准备材料检验：叠装前需对硅钢片的牌号、尺寸、表面质量（如涂层完整性、是否有毛刺、划痕）进行100%检验。任何微小的缺陷都可能成为局部过热或磁性能下降的隐患。去应力退火：对于经过剪切或冲压的硅钢片，其边缘会产生加工应力，导致磁性能恶化。因此，关键部位的硅钢片（如接缝处）在叠装前必须进行去应力退火处理，以恢复其原有的磁性能。退火温度通常在750-850℃，并在保护气氛中进行，防止氧化。叠片方式与工艺叠片方式：直接缝叠片：将硅钢片直接叠放，片间接缝对齐。这种方式工艺简单，但接缝处磁阻较大，会产生明显的附加损耗，主要用于小型、低电压变压器。斜接缝叠片：这是现代大型变压器的标准工艺。硅钢片的接缝被设计成45°或特定角度的斜角，相邻叠片的接缝相互错开。这种设计使得磁通在通过接缝时，其路径是连续且平滑过渡的，极大地降低了接缝处的磁阻和附加损耗。全斜接缝叠片：在斜接缝的基础上，进一步将叠片单元（通常为2-5片）进行旋转叠装，使得整个铁芯的接缝完全错开，形成一个连续的“之”字形磁路。这种工艺能将接缝损耗降至最低，是超高压、大容量变压器的首选。叠装顺序：铁芯叠装通常从下铁轭开始，依次叠装芯柱和上铁轭。对于大型变压器，芯柱部分会采用阶梯式叠积工艺。即从芯柱中心向外，每一层叠片的宽度依次递减，形成阶梯状。这种设计可以使绕组与铁芯之间的油道更均匀，改善散热，并提高铁芯的机械稳定性。叠装过程中，每叠放一定数量的硅钢片（通常为10-20片），就需要使用专用的夹紧装置进行预紧，以确保叠片的平整度和压力均匀。叠装精度控制尺寸精度：铁芯的柱距、铁轭高度、总高度等关键尺寸的偏差必须控制在±0.5mm以内，以确保后续绕组绕制和器身装配的顺利进行。平面度：铁芯叠装后的上、下铁轭平面度要求极高，通常不超过2mm/m。平面度超差会导致器身压紧不均匀，产生局部振动和噪音。接缝间隙：斜接缝的间隙应严格控制在0.1mm以下。间隙过大会导致磁阻急剧增加，空载电流和损耗上升。操作人员通常会使用塞尺进行逐点检查。（三）铁芯叠装的质量控制要点铁芯叠装的质量控制贯穿于整个过程，是确保铁芯性能的最后一道防线。叠片系数的保证叠片系数是衡量铁芯材料利用率和磁路效率的重要指标。为保证叠片系数，必须做到：材料平整：硅钢片本身的平整度必须符合要求，不允许有波浪变形。清洁无异物：叠装环境必须保持高度清洁，硅钢片表面及叠装平台上不允许有任何灰尘、油污或金属碎屑。均匀压紧：在叠装的最后阶段，会使用大型油压或液压装置对整个铁芯进行整体压紧。压紧力的大小需要精确计算，既要保证叠片紧密贴合，又不能因压力过大导致硅钢片绝缘涂层破损或材料本身产生塑性变形。铁芯的紧固与稳定性拉杆与夹件：叠装完成的铁芯需要通过高强度的穿心螺杆（拉杆）和上下夹件进行紧固。拉杆通常采用非导磁材料（如不锈钢）或在拉杆外包裹绝缘层，以防止在交变磁场中产生涡流损耗。绑扎带：对于大型变压器的芯柱，除了拉杆紧固外，还会在芯柱表面缠绕高强度的无纬玻璃丝带进行绑扎。绑扎带需预浸环氧树脂，并经过加热固化，形成坚固的整体，以增强铁芯的抗短路能力，防止在突发短路时铁芯柱发生崩散。接地处理：铁芯必须有且仅有一点可靠接地。这是为了释放铁芯在交变磁场中因电磁感应产生的悬浮电位，防止电位差导致的局部放电或绝缘击穿。接地线通常从夹件引出，并与油箱可靠连接。绝缘处理片间绝缘：如前所述，硅钢片表面的绝缘涂层是片间绝缘的主要保障。在叠装过程中，必须避免因操作不当导致涂层划伤或剥落。铁芯与夹件的绝缘：铁芯硅钢片与金属夹件之间必须设置可靠的绝缘隔离。通常会在夹件与铁轭之间放置多层绝缘纸板或环氧玻璃布板，并确保绝缘距离满足设计要求。这可以防止铁芯通过夹件形成多点接地，避免产生环流损耗。二、变压器绕组绕制技术绕组是变压器的电路部分，负责电能的输入与输出。绕组的绕制工艺直接决定了变压器的绝缘水平、短路阻抗、散热能力及运行可靠性。（一）绕组的类型与结构特点根据变压器的容量、电压等级和使用场合，绕组的类型和结构形式多样。绕组类型结构特点主要应用层式绕组导线沿轴向排列成多层，层间用绝缘纸隔开。绕制工艺简单，机械强度较高。中小型变压器、配电变压器的低压绕组。饼式绕组导线沿径向排列成若干个“饼”状线饼，线饼之间通过绝缘垫块支撑，形成油道。散热性能好，绝缘结构清晰。电力变压器的高、低压绕组，特别是高压绕组。连续式绕组属于饼式绕组的一种，线饼之间通过特殊的“翻饼”工艺连续绕制而成，无焊接接头。机械强度极高，抗短路能力强。超高压、大容量电力变压器的高压绕组。纠结式绕组导线在绕制时进行特殊的交叉编织，使绕组的纵向电容分布更加均匀。110kV及以上电压等级变压器的首端或调压绕组，用于改善冲击电压分布。内屏蔽式绕组在绕组内部设置金属屏蔽层，用于均匀电场分布，降低局部场强。特高压变压器的出线端或绕组首端。（二）绕组绕制的设备要求绕组绕制是一个高度自动化和精密化的过程，对设备的精度、稳定性和功能集成度要求极高。绕线机系统大型卧式绕线机：这是绕制电力变压器绕组的主力设备。其特点是：大承载能力：可以承载数十吨甚至上百吨的绕组重量。高精度排线：配备伺服控制的精密排线机构，能够保证导线在绕制过程中排列整齐、紧密，无交叉、无重叠。排线精度通常可达±0.1mm。张力控制：导线的张力必须保持恒定且精确。张力过大易导致导线拉伸变形或绝缘损伤；张力过小则会导致线饼松散，影响绕组的机械强度和散热。现代绕线机通常配备闭环控制的张力系统，可以实时监测并调整张力。程序控制：绕线过程完全由计算机程序控制，可实现复杂的绕制工艺，如连续式绕组的自动翻饼、纠结式绕组的自动编织等。辅助设备与工具导线处理设备：包括导线的放线架、校直机、表面清洁与干燥装置。导线在绕制前必须经过严格的校直和清洁，去除表面的氧化层和油污。绝缘材料处理设备：如绝缘纸的分切机、纸带的张力放线架、撑条与垫块的加工中心等。绝缘材料的尺寸精度和清洁度对绕组质量至关重要。干燥设备：绕组绕制完成后，必须进行真空干燥处理，以去除绝缘材料内部的水分。水分会严重降低绝缘材料的击穿电压，并可能在运行中导致局部放电。真空干燥罐通常可以达到-0.1MPa的极限真空度，并配备加热系统，使绕组在高温真空环境下充分干燥。（三）绕组绕制的关键工艺绕组绕制是一个多工序、多参数协同控制的复杂过程，每一个环节都至关重要。导线的选择与处理导线类型：变压器绕组导线主要采用铜导线或铝导线。铜导线导电性能好、机械强度高，但成本也高；铝导线成本低、重量轻，但导电率和机械强度略逊于铜。导线的截面通常为矩形或扁形，以提高绕组的填充系数和散热效率。导线绝缘：导线表面会包覆一层或多层绝缘材料，如漆包线（用于小型变压器）、纸包线（最常用，纸层厚度根据电压等级确定）或漆包纸包线（复合绝缘）。对于超高压绕组，导线还可能采用换位导线（由多根绝缘扁线按一定规律编织并整体包覆绝缘而成），以降低导线内部的涡流损耗。导线焊接：在绕制过程中，当单根导线长度不足时，需要进行焊接。焊接接头的质量是关键，必须保证接头处的机械强度不低于原导线，且焊接后需进行严格的打磨和绝缘恢复处理，确保接头处的绝缘性能与导线本体一致。绕组的绕制过程绕制前准备：模具安装：根据绕组的尺寸，在绕线机上安装精确的绕线模具（心轴）。模具的尺寸精度直接决定了绕组的最终尺寸。绝缘打底：在模具表面首先绕制多层电缆纸或皱纹纸作为绕组的内绝缘，确保绕组与铁芯或接地部分的绝缘距离。层式绕组绕制：导线以层为单位进行绕制，每层绕完后，需在层间垫入规定厚度的层间绝缘纸。层间绝缘的厚度根据绕组的工作电压和冲击电压水平计算确定。绕制过程中，排线必须紧密、整齐，层间不得有任何空隙。饼式绕组绕制：饼式绕组的绕制核心是线饼的形成和油道的设置。每绕制一个线饼，就需要在饼间放置由绝缘纸板加工而成的撑条和垫块。撑条沿轴向排列，形成了绕组内部的径向油道，是绕组散热的主要通道。垫块则用于支撑和固定线饼，保证饼间距离。对于连续式绕组，其绕制工艺更为复杂。导线在绕制到线饼末端时，需要通过特殊的机械装置进行“翻饼”，即导线从一个线饼的外侧翻转到下一个线饼的内侧，从而实现无接头的连续绕制。这要求绕线机具备极高的控制精度和复杂的机械动作。绕制张力控制：如前所述，导线的张力控制是绕制过程中的重中之重。现代绕线机采用闭环张力控制系统，通过安装在放线架或导线路径上的张力传感器，实时反馈张力值，并自动调整放线电机的转速，确保张力恒定。绕组的绝缘处理主绝缘：绕组与绕组之间、绕组与铁芯及油箱之间的绝缘称为主绝缘。主绝缘通常由绝缘纸板筒、角环、端圈等部件构成。这些部件需要在清洁、干燥的环境下进行装配，并保证其尺寸和位置的绝对准确。纵绝缘：绕组内部的绝缘，包括层间绝缘、饼间绝缘、匝间绝缘等，称为纵绝缘。纵绝缘的材料选择和厚度设计必须满足绕组在长期工作电压、短时过电压及冲击电压下的绝缘强度要求。整体浸渍与固化：对于一些对机械强度和绝缘性能要求极高的绕组（如干式变压器或某些特种变压器），绕制完成后会进行**真空压力浸渍（VPI）**处理。绕组被放入浸渍罐中，抽真空后注入环氧树脂或其他绝缘树脂，然后加压使树脂充分渗透到绕组的每一个缝隙中。最后经过加热固化，使绕组成为一个坚固、致密的整体，其绝缘性能和机械强度都得到极大提升。（四）绕组绕制的质量控制要点绕组绕制的质量控制直接关系到变压器的安全运行，容不得半点差错。绕制尺寸的精确性绕组的轴向高度、径向厚度、内径、外径等关键尺寸必须严格符合设计图纸要求，偏差通常控制在±1mm以内。尺寸超差会导致：绕组与铁芯或油箱的绝缘距离不足，引发放电。绕组之间的间隙不符合设计，导致短路阻抗超标。器身装配困难，甚至无法装入油箱。导线排列与紧实度整齐排列：导线在绕组中的排列必须绝对整齐，不允许有交叉、鼓包或松散现象。任何局部的不整齐都会导致电场分布畸变，产生局部放电，最终发展为绝缘击穿。轴向压紧：绕组绕制完成后，其轴向高度会因导线的弹性而略有回弹。因此，需要使用压装模具和专用设备对绕组进行轴向压紧，将其高度压缩至设计值，并保持一定的压紧力，直至绕组端部的绝缘端圈或支撑结构固化定型。绝缘性能的保证清洁度控制：绕组绕制车间是变压器制造厂中清洁度要求最高的区域之一，通常为无尘车间。空气中的尘埃、纤维等杂质一旦附着在绝缘材料表面或进入绝缘结构内部，就可能成为局部放电的起始点。因此，所有进入车间的人员和物料都必须经过严格的清洁处理。绝缘电阻测试：绕组绕制及绝缘装配完成后，必须进行绝缘电阻和吸收比测试。这是评估绕组绝缘状态的最基本、