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随着我国国民经济的飞速发展，城市化建设日益加剧，人口密集、高层建筑成群、路面及地下交通网络发达，直接向用户终端供电用中小型配电变压器的需求量日益增大，特别是2500kVA及以下的变压器。整个配电变压器行业都在探讨产品的结构，务求在降低产品成本的同时不会影响产品的性能，在没有改变原材料及线圈形式的情况下，合理选择铁心的型式就变得尤为重要了。本文将选取实际的例子分析各种铁心的特点。
1、各种形式铁心的性能比较
1）传统的叠片式铁心，A-C相之间的耦合磁路，明显要比A-B相、B-C相的磁路长1/2，磁路不平衡，A-C相的磁阻较大，当三相电压加到变压器后，铁心便会产生三相磁通，三相平衡的磁通经过不平衡的磁路时，A、C相的磁压降低，影响三相电压的平衡。这种磁路回路上的不平衡对于平面形铁心来说是无法克服的结构缺陷。此外，每层铁心有6个接缝，整台铁心接缝相当多，磁阻较大，截面的占空系数比较低，这种铁心的铁心损耗工艺系数相对较大。叠片式的铁心与卷铁心相比，片与片之间不够紧密，这不仅降低了叠片系数，重要的是加大了噪音。
2）平面卷铁心与叠片式卷铁心一样，存在铁心磁路不平衡，损耗系数大等缺点，相对于叠片式铁心，卷铁心没有接缝，磁阻小，铁心接近圆形，铁心截面占空比大，相同直径的铁心截面比叠片式的要大。经过合理退火处理后，硅钢片的导磁性能好，大大降低了铁心的噪声。
3）立体卷铁心的三个相同的单框半圆卷铁心组成，三框之间磁通因空隙磁阻较大各成回路，既平面卷铁心无接缝的优点，又解决了三相磁路不平衡的问题，大大降低了铁心损耗的工艺系数。铁轭轭用量比平面形式铁心的少25%，其经济性显而易见
2、各种形式铁心的参数计算
便于各种形式铁心的比较，以100kVA的变压器为例，铁心的各主要尺寸都一致：直径￠135窗高Hw=280mm，窗宽Mo=270mm，片厚δ=0.27，叠片系数0.97，低压匝数50匝，选用27QG110冷扎取硅钢。
1）立体卷铁心
图1单框铁心截面示意图
表1 立体卷铁心参数计算
K—工艺系数
1）相同直径的铁心
由于叠片式铁心的占空比较低，截面积只占圆面积的90%左右，详细的计算过程与上述的有所类同，叠片式铁心由于存在接缝，接缝磁化的计算肯定会让空载损耗有所增加，这里就不一一介绍。
S=123.9mm2，G=218.7kg，B=1.61T，P0=236W，I0=0.93%
2）截面积相近的铁心
为了有更好的可比性，在此再计算一个截面积接近于135mm2 的铁心，进行比较，这里选取的铁心直径为138mm2。
S=134.5mm2，G=228.7kg，B=1.54T，P0=222W，I0=0.71%
3）平面卷铁心
卷铁心的截面与立体卷铁心的一样，占空比较大，可以去到95%以上，因此，相同直径的铁心截面与叠片式相比，会有所增大，磁密有所下降，这里选取的铁心损耗工艺系数与叠片式的一样，取1.2。
S=135mm2，G=210.8kg，B=1.54T，P0=204.6W，I0=0.37%
3三种铁心主要参数的比较
前面对主要尺寸数据一致的三种铁心做了系列的计算，现将结果以立体卷铁心的为标准，进行比较（见表3-1）
表3-1 三种铁心重量、损耗、空载电流比较
1）从表中看出，当铁心直径为￠135时，叠片式的铁心重量较立体卷铁心的轻，但性能却远不及立体卷铁心，损耗及空载电流都远远超于立体卷铁心。卷铁心空载电流低这一优势，是叠片式铁心无法比拟的。
2）如果选取了截面积一致，铁心的直径会增加，除了铁心的重量增加外，导线的重量也会跟着增加。这里仅是铁心重量就比立体卷铁心的增加了17%，损耗增加了8%，空载电流增加了100%，立体卷铁心的经济效益更加显而易见了。
3）平面卷铁心相对叠片式铁心，虽然同样存在磁路不平衡的缺点，但是它截面积与立体卷铁心一样接近于一个圆，磁密、损耗及空载电流等参数都较为合理。但是与立体卷铁心比较，它的重量同样有所增加了，比立体卷铁心的增加了17%，而空载电流则增加了12%。
4、铁心额外成本比较
通过具体的铁心计算，其成本的高低显而易见。立体卷铁心无论性能、成本，都优于其它两种形式的铁心。但以上计算，仅仅是表面的理论计算，在实际的生产中，还会产生很多的额外成本。
1）从表面上来看，采用卷铁心结构，对比起叠片式铁心，硅钢片的使用率可以达到100%，但是硅钢片通过卷绕，会产生应力，必须经过合理通火之后，铁心的性能才能达到理想状态，另外卷铁心的绕制必须配备相关的模具，线圈绕制同样必须特定的齿轮，以上种种，都是卷铁心产生额外成本的因素。在实际的生产过程中，采用高纯氮进行退火，立体卷铁心由于其结构原因，截三框的截面积只有心柱截面的一半，相比平面卷铁心，
退火更加容易，工艺系数更低，平面卷铁心空载计算的工艺系数一般都去到1.2，立体的可以去到1.1甚至更低。就两种结构的卷铁心而言，立体的优势更加明显。
2）叠片式铁心由于存在V口，硅钢片的使用率较卷铁心的低，只有97%左右，但是叠片式铁心不经卷绕，不用进行退火，不用使用特定的模具进行绕制，绕制线圈的时候也不用特制的齿轮，从表面上看来，叠片式铁心的额外成本比起卷铁心就减少很多了。
表4-1 100kVA变压器铁心成本比较
注，硅钢片20元/kg，以20台为一炉的铁心进行比较，表格上方的代表单位数量，下方表示成本。
从上表可以看出，总体成本还是立体卷铁心的占优势，但是前提一定要有批量，否则其心板、齿轮及退火人工等额外成本就远大于叠片式铁心。
3）在生产过程中，卷铁心变压器的生产周期要比叠片的长，卷铁心必须通过分条、绕制、退火一系列工序并试验合格后方可进行绕线，并且必须绕完低压线圈后再绕高压线圈，套绕的方式使线圈的机械性能更好，同时具有很好的防盗性。线圈在绕制的时候对出头要进行预埋处理，安装的时候对引线处理的要求高，操作难度高，埋头处的尺寸会影响到整个线圈的尺寸，对于大容量低电压的变压器，受到铁心卷绕设备及产品自身结构的限制，卷铁心在此就失去了可行性。
叠片式铁心与卷铁心不同，硅钢片只需经过纵剪、横剪、冲V口，就可以进行叠制，与此同时，可以分别对低压线圈、高压线圈进行绕制，完成后再进行套装，生产周期比卷铁心的大大减少，线圈的出头特别是低压在绕制前就处理好，可靠性高。
5、结论
通过对以上几点的比较，对于2500kV及以下的中小型变压器铁心选型，应根据实际的情况去选取，生产卷铁心必须配备退火炉、分条、卷绕设备，前期投资及产品的额外成本较高，很多专供铁心的厂家也因此应运而生了。目前，也有长圆形的线圈，其铁心相对叠片来说成本也会有一定比例的下降，但是相对圆形线圈，其机械性能及尺寸控制方面就稍有逊色，这里就不作比较了。从总体情况来看，在不改变线圈的形式，产品大批量的生产，立体卷铁心还是占有绝对的优势，如果是单规格的产品，则毫无疑问，应该选取叠片式铁心。
参考文献：
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[3]邹长春，刘燕.立体卷铁心变压器铁心结构与参数计算.变压器，第48卷第9期
[4]周书琴，张明德，雷大春.立体卷铁心变压器与传统叠铁心变压器比较.变压器，第43卷第3期。
论文作者:万丽容
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/1/4
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