節能型卷鐵心牽引變壓器結構及性能分析

王冬梅　宋慧欣

【摘 要】節能型卷鐵心牽引變壓器較普通牽引變壓器有明顯的性能優勢，文章詳細介紹了節能型牽引變壓器的結構特點和性能，并對其應用及發展前景進行分析。

【關鍵詞】節能型；卷鐵心；空載損耗；磁路

0 引言

隨著交流傳動技術不斷發展，機車功率逐步增大，牽引變壓器也呈現大容量化發展趨勢。然而，我國電氣化鐵路牽引負荷利用率較低，據鐵道部門實際記載，單線電氣化鐵路空載運行時間時常高達40%～50%[1]，因而牽引變壓器空載損耗變得越來越不容忽視，對牽引變壓器的節能研究也越發受到重視。2014年11月底，由西南交通大學高仕斌教授主持研制的世界上首臺220kV超低損耗卷鐵心節能型牽引變壓器研制成功，這對于鐵路供電系統的節能減排工作具有重大意義。

1 節能型牽引變壓器結構

卷鐵心是由若干根一定形狀的硅鋼片連續卷繞而成，卷繞緊密，整個磁路中沒有氣隙，且連續卷繞充分利用了硅鋼片的取向性，相比于傳統變壓器的疊鐵心結構，空載損耗可以降低20%～35%。文章所提及的節能型卷鐵心牽引變壓器為V/X接線方式，由兩臺單相三繞組變壓器構成，下面對其鐵心和繞組結構進行介紹。

1.1 鐵心材料及結構

變壓器的鐵心一般由硅鋼片組成，硅鋼片按照加工方法不同可以分為冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片，與熱軋硅鋼片相比，冷軋硅鋼片的性能優勢更為明顯，主要體現在以下幾個方面：

（1）磁飽和點較高，在1.89T左右；

（2）在相同磁通密度及相同頻率下，單位損耗小；

（3）硅鋼片的材質硬度高；

（4）方向性強，當磁力線的方向與硅鋼片的軋制方向一致時，損耗最小；

所以采用冷軋硅鋼片，既可以滿足對電阻率的要求，同時可以降低損耗。

一般的單相卷鐵心可以分為雙框式和單框式兩種結構[2]，本文介紹的卷鐵心變壓器采用單框式結構，其鐵心結構及繞組排列方案如圖1所示。該方案由兩個單獨卷繞的半鐵心拼接而成，中間放置油道。對于高壓繞組，選擇采用兩部分并聯結構。

這種結構形式，由于高壓線圈并聯，相間等電位或電位差很小，留夠機械距離和繞制裕度即可；線圈分布在兩個柱上，熱源分散，更利于散熱；低壓內撐條可靠支撐，抗短路能力強。但線圈繞制工作量大，引線接線較復雜；鐵心外輪廓表面是球面，絕緣件及墊塊制作困難，必要時需采取澆注手段。

1.2 繞組排列方案

為使列車運行時大部分牽引電流沿饋電線而不是沿軌道和地返回牽引變電所，并降低對鄰近通訊線路的干擾，V/X接線牽引變壓器短路阻抗匹配應滿足以下要求：

為滿足式（1），采用交錯配置牽引繞制和饋電繞組，做到結構上的對稱，如圖2所示方案，圖中F對應饋電繞組，T對應牽引繞組。對于式（2），容量較大的V/X牽引變壓器比較容易滿足，而對容量相對較小的牽引變壓器（如容量在10MVA～16MVA區間內）則不容易滿足，這時需通過減小繞組匝數、增大鐵心直徑的方法來實現[3]。

2 節能型牽引變壓器性能分析

節能型卷鐵心牽引變壓器與普通疊鐵心牽引變壓器相比性能優勢明顯，主要體現在以下幾個方面：

（1）磁路優化：

采用卷鐵心技術，層間無接縫，磁路分布均勻，無高阻區，避免了接縫處磁通密度畸變情況；磁通方向與硅鋼片晶體取向一致，可降低磁阻；三相磁路完全對稱，三相空載電流完全平衡[4]。

（2）損耗低：

在材質相同的前提下，卷鐵心與疊鐵心相比，鐵損工藝系數從1.3～1.5下降到1.05左右，可使鐵心損耗降低10%到20%。

經高溫（800℃）真空充氮退火處理，不僅消除了鐵心的機械應力，而且細化了硅鋼片的磁疇，提高了硅鋼片二次再結晶能力，使硅鋼片的性能大大優于出廠時的性能。在同等容量情況下，卷鐵心牽引變壓器可降低空載損耗40%以上[5]。

（3）噪音小：

疊鐵心變壓器振動產生噪音的主要原因在于：磁路不連續，漏磁大，工作磁密過高。而卷鐵心是將硅鋼片條料不間斷、緊密連續卷制而成，沒有接縫，不會產生如疊鐵心那樣因磁路不連續而發出的噪音；三相磁路、磁通完全對稱，工作磁密設計合理，因而噪音大大降低。

（4）過載能力強：

卷鐵心牽引變壓器空載損耗、空載電流都非常小，所以本身發熱量較低，另外由于其結構特點，熱源較為分散，利于散熱。

3 應用及發展前景

牽引變壓器是牽引供電系統最重要的電能傳送設備，而牽引變壓器僅在列車通過時短暫工作幾分鐘，平均每天有40～50%的時間處于空載狀態，造成的空載能耗不容小覷，這些空載損耗不僅帶來巨大的經濟損失，更加重了電力系統節能減排的壓力，節能型牽引變壓器的研制成功對于解決此問題具有重要作用。根據我國鐵路規劃，預計到2020年全國鐵路總運營里程規劃目標將達到12萬公里以上，其中電化率將達到60%[6]。截至2013年底，我國電氣化鐵路總里程約為5.4萬公里，若按每50公里一個20MVA變電所空載損耗下降5kW計算，每年可節能4700萬千瓦時。若將卷鐵心技術推廣到AT牽引變壓器中，則節能效果將更加顯著。

近年來，我國高鐵“走出去”的速度越來越快，節能型卷鐵心牽引變壓器作為高鐵產業鏈條上的一環，若能一同走出國門，將通過降低空載能耗大幅降低高鐵運營成本，這是其他國際競爭對手無法比擬的優勢。同時就變壓器產業本身來說，卷鐵心牽引變壓器的研制成功對于提升中國變壓器產品水平，促進具有自主知識產權的電氣化設備出口具有積極意義。

4 總結

節能型卷鐵心變壓器因其獨特的結構特點，與普通牽引變壓器相比具有空載損耗低、抗突發短路能力強、噪音低等綜合優點。雖然目前的卷鐵心技術普遍多用于農網、城網以及廠用配電變壓器，但隨著卷鐵心技術的不斷發展，相信在未來的高鐵建設中，節能型卷鐵心變壓器將發揮重要作用。

【參考文獻】

[1]張子學.電氣化鐵路站用牽引變壓器損耗比問題[J].變壓器，1994（4）：32-34.

[2]董智慧.電氣化鐵路節能型卷鐵心牽引變壓器建模與仿真[D].成都：西南交通大學，2014.

[3]盛劍霓.工程電磁場數值分析[M].西安：西安交通大學出版社，1991，7-29.

[4]ReasonJ. Communications Alternatives For Distribution Automation[J]. Electrical World， 1993（4）：45-49.

[5]章文斌.關于S11型變壓器卷鐵心退火的工藝的探討[J].科教導刊，2009.

[6]鐵道部.中長期鐵路網規劃（2008年調整）[DB/OL]. [2010-09-07].

[責任編輯：湯靜]