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制造工艺 关于预防大型电力变压器器身装配 过程中变形的探讨 钱 义 1，韩湘峰1，宋 鹏2 （1.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056； 2.保定天威电气设备结构有限公司，河北 保定 071056） 摘要：叙述了器身变形的主要原因，分析了铁心叠片弯曲应力和铁心叠积工艺。 关键词：铁心；叠积；弯曲应力 中图分类号：TM4011文献标识码：B文章编号：10018425（2010）11002104 Discussion on Deformation Prevention of Active Part of Large Power Transformer in Assembly Process QIAN Yi1, HAN Xiang-feng1, SONG Peng2 （1.Baoding Tianwei Baobian Electric Co.,Ltd., Baoding 071056, China; 2.Baoding Tianwei Electrical Equipment Structure Co.,Ltd., Baoding 071056, China） Abstract：The main reasons of active part deformation are discussed. The sheet bending stress and the core lamination process are analyzed. Key words：Core；Lamination；Bending stress 1 前言 大型电力变压器制造过程中，在下节油箱箱底 定位钉、上节油箱顶部定位升高座、器身上铁轭横 梁定位方柱、铁心夹件焊接、绝缘件、绕组绕制及后 期处理、铁心叠片下料、铁心叠积及夹紧力（直径） 都合格且在严格执行工艺纪律总装配时，经常发生 变压器组件制造、装配综合误差而导致的变压器器 身永久变形。 2 器身变形 2.1器身变形状态 （1）装配上节油箱变形。 变压器器身装配完罩 好上节油箱时，发现油箱上、下箱沿周边螺孔产生 错位变形，使螺栓无法穿入紧固。 （2）绕组轴向上端部变形。 吊开上节油箱检查 器身时发现，绕组轴向上端部层压木板向低压侧倾 斜，测量绕组时，绕组轴向高度基本符合理论值（设 计），高压侧为正公差，低压侧为负公差，正负公差 大于设计和工艺要求。 （3）上铁轭局部扭曲变形。 经检查发现，铁心边 柱轴向弯曲并向低压侧倾斜，且伴随着上铁轭局部 向低压侧扭曲变形，上铁轭横梁上焊接的器身定位 方柱同时向低压侧倾斜。 由于器身上定位方柱的倾 斜量超过与上节油箱定位升高座的装配裕度，定位 方柱与定位升高座相碰，导致变压器油箱无法装配。 （4）器身永久变形。 虽然找不出以上变形原因， 但为了使上、下节油箱能够顺利装配，只能把上铁轭 横梁焊接的定位方柱割去，向高压侧移位焊接，移位 焊接尺寸为上、下油箱箱沿螺孔偏差量和定位方柱 与定位升高座之间绝缘装配裕度。 如果上铁轭扭曲 数值达到一定的量，给变压器留下永久变形，就有可 能发生“夹件与油箱相碰”。 2.2器身变形过程 （1）绕组、绝缘在装配过程中受损。绕组套装时， 内绕组撑条内圆与铁心柱纸板围屏外圆间隙不等， 无法对准，内绕组撑条通过导向纸板直接冲击铁心 柱时，发生“呯”的响声，使绑扎铁心柱围屏绝缘纸板 的高网络布带从铁心柱中间向上、下两端同时多股 崩断。 重新绑扎后，由于内绕组撑条与铁心柱绝缘 TRANSFORMER 第 47 卷 第 11 期 2010 年 11 月 Vol.47 November No.11 2010 第 47 卷 纸板之间间隙轴向分布大小不均， 因此无法套入。 于是解开高网络布带，拆下绝缘纸板，把厚纸板换成 薄纸板，减厚不减层，使铁心柱纸板厚度减少到允许 值，如果再套不进去就把内绕组撑条沿圆周去掉一 层或两层（约等于或大于0.5mm1.5mm）。 当绕组套 入铁心柱2/3时， 绕组还不能靠自身重量全部套入 铁心柱，就用外力强迫压入，但减少的内绕组撑条及 铁心边柱绝缘纸板厚度将无法恢复。 （2）内绕组在套装过程中变形。 绕组压入铁心 柱过程中，绕组时常发出“嘎嘎”响声，因为铁心柱是 由铁心叠片、拉板、绝缘材料和紧固装置组成的，是 压缩量较小的钢性物体。 而绕组是用铜线和绝缘材 料组成的螺旋状可压缩弹性物体，绕组绕制完成后， 经过单相绕组和三相绕组整体套装恒压、加热真空 干燥后，绕组撑条、撑条与垫块间、绕组间、绕组与垫 块间及垫块间形成相对稳定的初始位置。 绕组轴向 在受到外力压迫时，内绕组首先受力，内绕组受力时 发出的响声是绕组各零部件初始位置的位移相互摩 擦产生的。 由于绕组随铁心柱形状的改变而改变， 因此造成内绕组的轴向和辐向局部变形。 （3）绕组上端部高、低压侧局部变形。绝缘绕组、 上铁轭装配完毕，经过一定时效后，绕组轴向高度方 向出现高压侧“松”了（尺寸高了）、低压侧“紧”了（尺 寸短了）的现象，使铁心柱轴向弯曲并向低压侧倾 斜。 （4）上铁轭整体向低压侧倾斜变形。 以三柱铁 心为例：两个边柱是整片，中柱是宽、窄片结构，铁 心叠积时两个边柱不翻片，中柱翻片。三柱宽度 一样，而且叠积时不翻片。 由于铁心叠片片型不同， 铁心叠积方法也不一样，而产生变形后的形态也不 一样。 如铁心两个边柱发生上铁轭向低压侧局部扭 曲的几率较多；另外，不但有铁轭两个边柱向低压侧 局部扭曲几率发生，还可能发生器身上铁轭整体向 低压侧倾斜。 （5）外绕组端部高、低压侧在器身吊运过程中遭 受冲击。 变压器制造过程中器身要经过多次吊运， 当吊车的上升力与器身重量产生的下垂力共同作用 时，绕组轴向变形瞬间消失；当器身放下时，吊车的 上升力和器身重量下垂力同时消失，经一定时效后， 绕组轴向变形又恢复原状。 这种现象使绕组轴向上 端部共用层压木板下面的高、低压侧外绕组线饼和 绝缘材料（件），受到反复冲击而产生“锤击效应”。 冲击部位正好处于铁心上窗口及高、低压侧出口区 或出口近区。 2.3器身变形后果 （1）铁心边柱轴向弯曲变形，使内绕组在套装过 程中变形。 铁心柱轴向弯曲变形后，使铁心直径在高、低压 侧中心距离增大，变为椭圆形截面。铁心边柱绝缘是 用多层纸板按铁心柱轴向高度垂直布置的， 纸板不 会随铁心边柱轴向弯曲变形而变形。 在铁心边柱纸 板厚度和内绕组撑条厚度减少变薄后， 绕组靠外力 强迫压入时导致内绕组按照铁心边柱椭圆形变化。 在这种条件下， 内绕组撑条与铁心边柱绝缘纸板围 屏是紧密接触的。由于铁心边柱向低压侧（铁心叠积 基准面）弯曲，使铁心边柱轴向高压侧中上部位纸板 与铁心边柱之间油间隙变小， 绝缘材料耐电强度降 低， 而铁心边柱低压侧轴向中上部位纸板内圆与铁 心边柱外圆之间距离增大， 这样就使得纸板内圆与 铁心边柱外圆之间距离局部接触紧密和局部或大部 悬空。 （2）内绕组在短路机械力作用下变形过程。 当绕组遭受外部短路时， 由于铁心边柱与绝缘 纸板围屏内圆存在着局部紧密或大部悬空状态，绕 组套装过程中减少铁心边柱绝缘纸板围屏和内绕组 撑条厚度后，使绝缘材料机械强度降低。再经变压器 油浸透后使绝缘材料整体变软， 因此机械强度降得 更低。 纸板在受到内绕组辐向导线产生的向内圆周 压缩力时，接触紧密部位力的承受能力最大，悬空部 位力的承受能力最小。 在绕组辐向力和轴向力共同 作用下， 极有可能使内绕组撑条局部拉弯和撑条与 垫块之间脱离，撑条在拉弯变形运动中，垫块上下导 线绝缘会被产生的摩擦力损伤甚至露铜。 （3）铁心边柱轴向弯曲变形使绕组机械失稳。 铁心边柱弯曲变形后， 绕组上端部压板失去平 衡装配基准后也向低压侧倾斜， 由于绕组的磁场中 心存在偏差，就会导致绕组高、低压侧所受轴向力不 等，其力的合成结果将使高、低压绕组和高、低压两 侧之间磁场中心偏差增大。 当绕组承受短路机械力 时， 在辐向和轴向力作用下将产生加速度和故障积 累效应，造成内绕组机械失稳。 （4）器身在装配过程中发生变形是不可逆转的。 变压器绕组在已变形情况下上网运行， 属于带 故障运行。 这些制造缺陷和故障是变压器网上运行 时遭受短路力冲击产生故障积累的源头， 属于临界 性故障。 绕组在短路机械力及故障积累效应共同作 用下，使绕组最大变形量和永久变形量产生加速度， 在下一次不太大的短路机械力冲击下就会发生短路 事故，使变压器的临界性故障发展成为致命性事故。 绕组抗短路机械能力的大小在一定条件下起决定因 22 钱义、 韩湘峰、 宋鹏： 关于预防大型电力变压器器身装配过程中变形的探讨第 11 期 素的是绕组装配基准铁心 “骨架”的作用。 上述问题是大型电力变压器网上运行时内绕组 机械失稳发生破坏事故的主要原因之一。 3 铁心叠片 （1）铁心叠片是由硅钢带卷料中径剪切下料成 型的，它是含硅元素2%3%冷轧高取向导磁优质薄 钢板。 （2）铁心叠片中只有弯曲应力，没有弹性变形。 硅钢带卷料生产在某个特定工艺时段可能存在弹性 应力。 在卷制过程中卷曲力大于硅钢带弹性应力极 限时，使硅钢带弹性应力屈服而消失。 （3）铁心叠片弯曲应力的大小。 同一种片型，片与片之间弯曲力应不相同，同 一片不同位置单位面积弯曲应力也不相同。 因为它 是处在卷料的不同位置。 卷料卷曲的时间越长，卷曲应力越大。 在同一卷料中， 卷曲弧度越小， 卷曲应力越 大。 卷曲弧度越大，卷曲应力越小。 卷料横向 （宽度） 线性尺寸卷曲应力相对一 致，当硅钢带卷料横向（宽度）剪切成不同宽度条料 时，条料宽度的两个边距离越近，弯曲应力越大，两 个边距离越长，弯曲应力越小，这是因为剪切瞬间产 生的剪切应力造成的。 （4）铁心叠片弯曲应力的方向是硅钢带卷曲方 向下的凸向上，凹向下。 4 铁心柱小样试叠 铁心叠片存在弯曲应力和弯曲应力的方向性， 是否对铁心柱轴向弯曲有影响？选择0.3mm40mm 250mm的100条铁心叠片条料，不干胶带宽10mm， 不锈钢板尺500mm和机修工平台对铁心柱小样试 叠做了如下尝试。 （1）铁心柱小样试叠“顺片叠积”。按条料弯曲方 向用力把条料压平，分3处用不干胶带绑扎，上下两 端部各留20mm，用钢板尺测垂直度无误后，竖立在 平台上， 十几个小时后发现铁心柱试叠小样弯曲弧 度方向与条料基本一致。将条料排列顺序打乱，又按 上述办法绑扎测量，结果变形形状一致，铁心柱高度 降低。 （2）铁心柱小样试叠“凹对凹叠积”。把100条料 分成两组，每组50条，按条料弯曲方向凹对凹叠积 在一起。 用上述办法绑扎、测量和竖立，十几个小时 后垂直度良好，只是铁心柱上、中、下三处绑扎带之 间有向外涨的迹象。用刀割开中间一侧绑扎带时，对 面没有割开的绑扎带同时崩开， 两组条料都向外涨 （凸），变形对称，两组向内凹度相同，铁心柱小样高 度降低。 （3）铁心柱小样试叠“凸对凸叠积”。把两组条料 按弯曲方向凸对凸叠积在一起，用同样办法绑扎、测 量及竖立，十几个小时后，铁心柱小样没有变形，而 垂直度好于凹对凹叠积。 铁心柱上、中、下三处绑扎 带之间没有向外涨（凸）的迹象。 用刀割开中间一侧 绑扎带时， 对面没有割开的绑扎带不动。 用刀割开 后，铁心柱垂直度依然良好。 于是将小样拆散重叠， 方法同上，当用刀割开上、下两端绑扎带时，两组上、 下同时弯曲，而弯曲弧度与顺片叠积变形状态一样。 （4）铁心柱小样试叠“凹凸叠积”。把100条料分 成4、10、20、50组，按条料弯曲方向凹对凹、凸对凸 叠积，用同样方法绑扎、测量和竖立。十几个小时后， 发现随着分组的增多，每组条料片数减少，铁心柱试 叠小样垂直度越来越好，机械强度越来越高，绑扎带 受力也越来越均匀。 5 心柱产生轴向弯曲的主要原因 （1）铁心柱轴向弯曲的方向性。铁心叠片是按卷 料卷曲方向凸向上，凹向下下料的，叠积时通常是以 低压侧夹件作为叠积基准。 这就造成了铁心边柱顺 片叠积， 铁心起立后就使铁心边柱轴向弯曲有了方 向性。 因此，铁心边柱轴向弯曲的方向性，就是向铁 心叠积基准方向弯曲。 （2）铁心边柱顺片叠积产生叠加应力效应。铁心 顺片水平叠积时， 叠片的弯曲方向是凸向上， 凹向 下，一般情况下两片一组。因叠片质量产生的下垂力 大于叠片弯曲应力时，弯曲应力屈服，实现叠片上表 面平整。 把这种物理现象误认为是铁心叠片的弹性 变形是不对的，因为铁心叠片根本不存在弹性变形， 只有弯曲应力， 铁心叠片内弯曲应力并没有因此而 消失，而是储存在铁心柱内，随着铁心叠积厚度的增 加，铁心柱内部叠片的弯曲应力储存、叠加积累数值 随着厚度增加而增加。当铁心边柱受到某些设备、装 置缺陷和操作失误产生的冲击力大于铁心边柱经绑 扎后形成的综合夹紧约束垂直应力时， 铁心柱内部 储存的叠片弯曲应力就会立即释放， 产生轴向弯曲 变形。 （3）铁心边柱轴向弯曲的外因是条件，内因是根 本。 铁心边柱在绕组套装过程对铁心边柱产生冲击 力是偶然的。 冲击力的能量是不可预测的，所以，外 因是铁心边柱产生轴向弯曲变形， 内因是铁心边柱 顺片叠积产生弯曲变形。外因是通过内因起作用的， 23 第 47 卷 收稿日期：2009-05-15 作者简介：钱义（1948-），男，河北保定人，保定天威保变电气股份有限公司退休工人，长期从事变压器油箱、夹件、储油 柜的焊接工作； 韩湘峰（1976-），男，河南安阳人，保定天威保变电气股份有限公司工程师，从事变压器密封材料制造工艺工作； 宋鹏（1981-），男，甘肃武威人，保定天威电气设备结构有限公司工程师，从事变压器油箱、夹件、储油柜焊接 工艺工作。 内因是变形的重要因素。 变形是必然的，因此预防 铁心边柱产生轴向弯曲变形要内外并重，以内为主。 铁心和绕组是传递、交换电磁能量的主要部件，要使 变压器可靠运行，除了绕组合格外，铁心机械强度、 垂直度、稳定性好坏也是决定寿命和正常运行的关 键因素。 （4）铁心叠片剪切线是一套成熟的工艺技术。 我国引进了铁心叠片剪切线和铁心（顺片）叠积工 艺，从剪切线安装图和剪切线的现状看，其没有反方 向下料能力。 6 避免铁心边柱轴向弯曲变形的工艺措施 铁心凹凸叠积法就是按铁心叠片弯曲方向凹两 片一组，凸两片一组，连续叠积的工艺方法。 铁心叠 积完，经绑扎夹紧后起立，铁心边柱内叠片重量下垂 方向改变时，在与顺片叠积相同的夹紧力下（直径）， 铁心叠片按弯曲方向形成许多力单元。 每个力的单 元（4片一组合）都存在作用力和反作用力，使铁心 叠片弯曲应力相互抵消、制约，铁心叠片弯曲应力在 铁心边柱内化解，使铁心边柱在较大冲击力下也不 会产生轴向弯曲。 与顺片叠积相比较，铁心起立后整个铁心边柱 内部结构是一个力的单元。 单元内的铁心叠片只有 弯曲应力的作用力，没有反作用力，是产生弯曲应力 叠加并发生外在冲击条件下铁心边柱轴向弯曲变形 的必然结果。 铁心凹凸叠积工艺从根本上消除了铁 心叠片弯曲应力在铁心柱内部产生的叠加效应，也 就根除了铁心边柱产生轴向弯曲变形的内部根源， 提高了铁心边柱抵抗不可预测冲击力的能力。 7 实现铁心凹凸叠积的工艺条件 （1）铁心叠片摆放位置。 把同一台铁心叠片片 型总数按弯曲方向各下1/2，摆放在叠积平台四周， 并在料板上明码标记（不要弄混）。 （2）横剪线直接下料，如图1所示。 横剪线改造前其开卷机只能单方向（凸向上）下 料，改造后可双方向（凸向上、凹向上）下料。 改变横剪线自动操作程序，使开卷机正反两个 方向都能转，而且转速一致，把硅钢带卷料在开卷机 上横向旋转180上料。 按每一种叠片片型总数的1/2 凹凸下料编程。 （3）横剪改造建议。由于横剪开卷机前的缓冲坑 不具备反方向下料的距离， 需要在开卷机下缓冲坑 坑口外、条料经过的位置安装一个导向滚轮。滚轮直 径要使条料经过时产生的弯曲弧度大于条料卷曲直 径。 滚轮外圆和缓冲坑坑沿边要安装耐磨丁腈橡胶 板，以防止条料表面绝缘磨损。 其优点是操作方便、 自动化程度高、资金投入少及不挤占工作场地。 参考文献： 1（英）马丁J希思科特.变压器实用技术大全（原书第 12版）M.王晓莺等译.北京：机械工业出版社，2004. 2路长柏，朱英浩.电力变压器计算M.哈尔滨：黑龙江科 学技术出版社，1990. 3董志刚.变压器的噪声J.变压器，1995，32（12）：37-加1. 4顾选能，汪蓓蓓.变压器铁心制造工艺M.北京：机械 工业出版社，1998. 1 400 （a）改进前凸向上 1 400 （b）改进后双向 图1横剪线下料图 Fig.1Blanking diagram of cut out line 24