近年来，人类可持续发展已经是世界各国高度关注的热点话题，各行各业都在持续推进节能减排，加快促进低碳环保发展。加之近期受国际形势影响，变压器铜材价格持续上涨，一定程度上提高了变压器的制造成本，而硅钢片和铜材价格差距较大。所以开发高效节能变压器，挖掘硅钢片的潜能，合理优化铁心结构，在减少变压器铜材消耗的同时，还可以大力提升能源资源利用效率，对推动制造业节能低碳高质量发展起到积极作用。周广宇等研究人员从新能效电力变压器铁心结构优化节材方向入手，通过优化改进铁心结构降低产品空/负载损耗，以实现节约材料，节约制造成本的目标。
01铁心结构优化对空载损耗的影响
硅钢片的精细化控制降低空载损耗
研究人员通过数据统计和实验证实通过对硅钢片从采购、加工制造及试验等方面进行精细化控制后，铁心的空载损耗附加系数K0可降低约2%。
铁心采用异形轭结构降低空载损耗
在保持心柱截面不变的前提下，通过增加上下铁轭的截面面积来采用异形铁轭结构，可以有效降低铁轭中的损耗，进而使空载损耗值下降，但总损耗的降低幅度会随着截面面积的增加而逐渐减小。然而，随着铁轭截面面积的增大，上铁轭截面与心柱截面的差异也会增大，这会导致铁轭体积变大，降低叠装效率，并且在搭接处可能出现空隙，这些空隙会增加空载损耗。因此，建议增加的铁轭截面面积应控制在心柱截面的5%到15%之间。
铁心片采用新型接缝结构降低空载损耗
目前变压器行业内大部分厂家铁心片采用的是全斜45°接缝，采用异形轭时，心柱与铁轭的搭接处空隙会随着铁轭截面积的增大而增加，空隙的增加会增加空载损耗，因此铁轭截面积不适宜增加得很大。为了消除这种空隙的影响，可以对接缝角度进行优化调整。研究发现，硅钢片轧制方向角度在37°- 53°范围内，铁损特性基本一致，因此优化接缝角度是可行的。
02铁心结构优化对负载损耗的影响
将金属夹件远离器身降低杂散损耗
铁心夹件处于绕组漏磁场和引线漏磁场作用下，是磁场较强的位置，损耗密度较大。为了改善漏磁场分布，可以考虑将夹件远离器身，减少漏磁通密度，进而降低杂散损耗。
改变金属结构件的材质降低杂散损耗
由于铁心夹件等金属结构件处于磁场较强的位置，靠近绕组的腹板及加强铁漏磁密度较大。经过模拟仿真，加强铁材料若采用普通钢板，由于磁场耦合作用，不仅加强铁损耗密度较大，附近的腹板损耗密度也较大。如果加强铁材料采用低磁钢板，则相应部位的损耗密度下降较为明显。尤其是针对短路阻抗较小、器身辐向尺寸较小的产品，通过改变加强铁的材质，杂散损耗降低效果较好。
7.1
器身加装磁屏蔽降低杂散损耗
金属结构件的漏磁损耗密度随着变压器容量及短路阻抗的增加而增大，对于短路阻抗较高、变压器容量较大、器身辐向尺寸较大的产品，可以采用在器身加磁屏蔽的方法，控制漏磁通的路径，改善漏磁分布，从而降低杂散损耗。尤其是针对短路阻抗较高、器身辐向尺寸较大的产品，通过器身下部加磁屏蔽，杂散损耗降低效果较好。
表2 器身下部是否加磁屏蔽杂散损耗指标对比
产品型号
器身下部是否加磁屏蔽
短路阻抗/%
杂散损耗/kW
SZ20-63000/110
加磁屏蔽
器身上下部均加装磁屏蔽降低杂散损耗
对于大容量高阻抗变压器及发电机变压器等，由于产品阻抗高，漏磁大，漏磁场引起的各种附加损耗的绝对值增加较大，为了改善漏磁场分布，控制及分散漏磁通路径，使磁场分布更加均匀，可以采用器身上下部均加装磁屏蔽，可以大大地降低产品的杂散损耗。
器身上部如果不加磁屏蔽，金属结构件中的漏磁密度很高，漏磁分布极不均匀，杂散损耗大大增加，甚至会引起局部过热等问题。如果器身上下部均加磁屏蔽，磁屏蔽能够吸收大部分的漏磁通，可以有效地降低金属结构件的杂散损耗，漏磁密度会大大降低，从而降低产品杂散损耗和防止产品出现局部过热。
铁心结构的优化可以同时降低产品的空/负载损耗，减少变压器铜材的使用量，节材效果十分明显，大大增强了企业的核心竞争力。未来随着变压器行业技术的不断发展，变压器漏磁场的控制技术及有限元仿真软件的大量应用，可以实现变压器的精准化设计，满足用户高效节能变压器的需求。
