干式變壓器三維布置圖結構設計

張 丹

0 引言

干式變壓器進入我國已經有幾十年歷史，隨著對人類環境保護的要求越來越高，干式變壓器在整個變壓器產品數量中的份額也越來越大。

現今變壓器行業競爭激烈，成本控制至關重要，眾多的變壓器廠商都會因為線材及硅鋼片的價格適當調整設計，以求達到最經濟的設計。干式變壓器因為其特殊的制造工藝，使其同系列變壓器外觀基本相同，只是大小比例有所偏差，因此，給干式變壓器的結構設計帶來大量的重復性工作，占用設計人員大量時間。

筆者利用Inventor 軟件，將傳統的二維CAD設計與三維立體設計相結合，對干式變壓器結構進行了三維布置圖建模，自上而下的完成設計，構建一套完整的干式變壓器設計體系，提高了10 倍以上的工作效率，而且使得圖紙無錯化，節約了人力成本，極大地縮短了變壓器的制造周期。

1 設計思路與流程

傳統的變壓器CAD 設計，采用二維CAD 設計，二維CAD 入手簡單，可以直觀的自上而下進行設計，然后再套用各廠已經建立好的通用件，以及標準件庫完成整套設計。

筆者利用Inventor 軟件實現的設計方案，可以最大化的簡化設計流程，在得到一種新產品后確定產品主體思路及結構，然后衍生出設計參數，再建立以三維原點為基點的傳統二維三視圖，并且與設計參數鏈接；再用二維布置圖生成三維零件并裝配，最后生成傳統的二維工程圖。

如果是成熟產品設計，已經確定了產品的結構以及有了成熟的三維布置圖，那么在二次設計時只需要輸入設計參數并且進行圖形更新即可得到最終的二維工程圖，從而省去了重復的設計工作，節約了重復性工作時間，并且使得圖紙無錯化，標準化。具體設計流程見圖1。

圖1 設計流程圖

1.1 初步確定變壓器結構

筆者以1 臺鐵道專用DC10-30/27.5 kV 單相變壓器為例進行初始設計，結構確定為普通雙柱串聯單向變壓器。

1.2 編寫基本參數表格

筆者從變壓器初始計算單入手將基本參數編寫Excel 表格。為了簡化三維數據在以后各個零件中的傳遞效率，選取少量的核心數據編入基本數據表格，這類數據從初始計算單得到，只包括變壓器的鐵心直徑，窗高等核心數據，該類數據完整的反映出變壓器各個零件在空間的相對位置，以及各個零件的配合關系。但是諸如零件自身的細部數據，在基本表格中根本不需出現，只在最后完善零件步驟中進行編輯。

基本參數表格中的參數在Inventor軟件中利用等式與三維布置圖中的數據關聯，如：d0= 鐵心直徑。這樣就可以做到利用參數對三維布置圖進行完全控制（圖2）。

圖2 基本參數表格圖

1.3 參數化建立三維布置圖

一切結構設計都始于布置圖，傳統二維設計都是先建立主視圖，然后利用投影的方法建立俯視圖以及左視圖，但是一個視圖只能反映物體的一個方位的形狀，不能完整反映物體的結構形狀。所以在后期工作中需要投入很多的工作進行校核，審核確保設計正確。在后來的設計中，有些設計人員采用了三維設計，但是受制于軟件等其他因素設計只能自下而上的反推進行，這樣不僅背離了設計原則，而且被事先設計好的通用零件所束縛，不能完全的展開設計思路。

筆者利用Inventor 軟件中進行自上而下的設計，將傳統的二維設計的靈活和三維設計的嚴謹相結合，創新了一種三維布置圖的方法。三維布置圖不使用三維設計中X，Y，Z 三維坐標，而是由三維坐標原點（0，0，0）為基點建立XY 平面的主視圖，YZ 平面的俯視圖，XZ 平面的側視圖，3 個視圖中的數據來源于1.2 節中的基本參數表格，每一個視圖都是單獨建立，并不是其他視圖的投影，因為該布置圖會作為以后所有零件的創建基礎，所以要簡化其數據構成，只要不是基本參數表格中出現的參數，一律不在布置圖中畫出，提高以后步驟的運行速率。參見圖3。

圖3 三維布置示意圖

1.4 生成三維零件模型

在該步驟中，筆者使用了Inventor 軟件中的一項極為重要的“生成零部件”功能，該功能是保證基本數據和布置圖傳遞到各個零件的核心。在布置圖中利用拉伸，掃掠，旋轉等基本功能就可以建立相關零件，然后根據不同零件的不同細部數據對零件進行再完善。

在完成該步驟之后，包括在布置圖中的所有零件就都被構建出來，如果需要對零件進行微調，或者更新零件的基本數據，只需要更新原始的1.2 節中的基本數據表格，或者更改1.3 節中的布置圖就可以完成對零件的數據更新，改變其三維特征。

1.5 對所有的零件進行總裝配及檢查

在1.4 節中，筆者完成了對干式變壓器零件的建立，這些零件因為由三維布置圖而來，所以它們都繼承了三維布置圖中的相對位置關系，所以在進行總裝配過程中可以利用基準點和基準面進行快速有效的裝配，完成裝配之后，利用軟件的干涉檢查功能進行最終校核，然后完成整體的三維設計。圖4是干式變壓器的總裝配圖。

圖4 干式變壓器總裝配圖

1.6 完成設計并生成二維工程圖

裝配完成之后，通過干涉檢查后就轉入最終步驟生成最后的二維工程圖，該步驟也是整個干式變壓器三維布置圖設計工作中最繁瑣的一步，但是合理利用Inventor 中的標注功能也能簡化步驟（圖5）。

1.7 快速的基本數據更新

完成以上6 個步驟之后就建立了一套完整的從計算單到最后二維工程圖的系統，本次的DC10-30/27.5 kV 單相變壓器設計完成，就可以涵蓋小容量27.5 kV 變壓器（30～315 kV·A）。對于在這個容量段的新設計變壓器就可以打開基本參數表格進行基本數據更新，然后直接進行二維工程圖圖紙更新，完成設計。

圖5 變壓器總裝工程圖

2 設計總結及經驗

筆者認為利用Inventor軟件的三維布置圖結構設計法則是當下干式變壓器設計中最便捷，最精確，最先進的設計辦法，它結合了二維設計的靈活多樣以及三維設計的空間位置嚴謹的雙重特點，成倍的提高了設計人員的設計效率，將一個設計人員最快1 d 完成的工作量，縮短到10 min 內完成，節約了大量的結構重復設計時間，使得設計人員無需進行繁雜的重復性工作，將更寶貴的時間和精力投入到新產品的研發。

筆者認為可以將干式變壓器的三維布置圖結構設計做相應改進，在油浸變壓器器身設計中使用，配合另外的一些參數化設計理念可以勝任油浸變壓器的器身設計。