節能型卷鐵心牽引變壓器的研制與應用

高仕斌， 江俊飛， 周利軍， 王東陽， 李錦平， 吳志強

（1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；2.常州太平洋電力設備（集團）有限公司 技術部，江蘇 常州 213033）

牽引變壓器是牽引供電系統中能量傳輸和轉換的核心設備，但因受到牽引負荷特性的影響，牽引變壓器長期處于空載狀態。據統計，一般情況下電氣化鐵路的平均負載系數為0.3～0.6，在重載情況下復線的平均負載系數最高只有0.5～0.6，單線的空載運行時間常常高達40%～50%，這使得空載損耗占牽引變壓器總體損耗的很大一部分［1-3］。隨著國家節能減排發展戰略的實施，節能型變壓器正成為未來的發展趨勢。非晶合金變壓器和常規卷鐵心變壓器是當前發展前景較好的節能型變壓器，非晶合金具有高磁導率、低損耗等優點，但其對機械應力較為敏感，且熱穩定性能欠佳，較難應用在大型鐵心中［4-6］；常規卷鐵心變壓器在硅鋼片的基礎上，以其先進的結構和在降低空載損耗上表現出的優異性能，是目前節能型牽引變壓器的首選［7］。

卷鐵心是由若干根一定形狀的硅鋼片帶料連續卷制而成，充分利用硅鋼片的取向性，且料帶連續繞制無接縫，整個磁路中空氣隙較少，卷繞緊密，磁阻小、損耗低。相比疊片式鐵心，其制備工藝較復雜，但其角重較小，節約材料，同時空載損耗以及空載電流能夠得到大幅減小［8-11］。然而，受加工工藝限制，目前卷鐵心變壓器電壓等級都局限在35 k V級以下，對于220 k V級牽引變壓器，卷鐵心技術的應用尚屬空白。

本文所述變壓器突破了大噸位卷鐵心卷繞、退火、油道設置難、繞線復雜等關鍵技術，是世界上罕見的220 k V、31 500＋25 000 k VA組合式牽引變壓器。國家變壓器質量監督檢驗中心的試驗表明：該變壓器空載損耗為32.4 k W，比普通變壓器降低45%。目前，該節能型牽引變壓器已在中南通道王家莊牽引變電所投入運用，并通過了國家機械工業聯合會新產品鑒定，結論為國際領先。

1 變壓器鐵心、主絕緣設計及過負荷溫升控制

本文研制的牽引變壓器主要技術參數如下，表1為該牽引變壓器容量：

（1）結構形式：組合式（2臺單相變壓器放置于同一油箱中組成三相V／X連接牽引變壓器）；

（2）電壓組合：220 k V／2×27.5 k V。

表1 牽引變壓器容量 MVA

1.1 鐵心結構設計

牽引變壓器由2臺單相三繞組變壓器構成，每相有2個二次繞組，置于同一油箱中，組成V／X接線方式，該類型牽引變壓器具有供電能力強、投資成本低等顯著優勢［12］。

變壓器運行時鐵心損耗轉化為熱量，若鐵心散熱不佳形成局部過熱將導致磁路短路，進一步增加鐵心損耗，同時使變壓器絕緣油性能下降，甚至造成變壓器損毀。因此，大型鐵心需設置散熱油道防止其局部過熱。牽引變壓器鐵心體積龐大，而目前對大體積卷鐵心研制經驗匱乏，其油道的數量以及設置方式對鐵心的影響均需事先進行評估。疊片式牽引變壓器鐵心一般設置2個油道，而卷鐵心損耗較疊片式鐵心小，產熱相對亦少，考慮卷鐵心結構的特殊性及鐵心卷繞的工作量和拼合的難度，只設置1個散熱油道，見圖1。

圖1 單框式卷鐵心及繞組結構

圖1（a）為繞組分布結構圖，采用三繞組結構，自鐵心柱向外依次是牽引繞組（T繞組）、饋電繞組（F繞組）、高壓繞組，為雙柱并聯形式，以提高抗短路能力及絕緣可靠性。圖1（b）為鐵心柱橫截面，中間空白部分為油道，寬為6 mm，鐵心分兩部分卷繞，每一部分鐵心柱截面為半圓，最后拼裝得到柱截面為近似圓形。繞組具體接線見圖2，牽引繞組和饋電繞組的尾端連接在一起形成中性點接于軌道，2臺單相變壓器連接形成V／X接線。

圖2 V/X接線原理圖

變壓器內部溫升對變壓器安全穩定運行以及絕緣壽命具有很大影響［13］，本文仿真計算了卷鐵心在未設置散熱油道以及設置1個散熱油道后的鐵心溫升，其中仿真模型為31.5 M VA單相變壓器，仿真結果見圖3。

圖3 有油道和無油道時鐵心內部溫度分布

圖3為額定負荷下未設置油道與設置1個油道時，達到溫升平衡后鐵心不同高度處內部平均溫度。由圖3可知，熱點溫度位于鐵心上部，即繞組端部位置，符合實際運行情況。未設置油道時，鐵心內部溫度相對較高；設置油道之后，在油道作用下鐵心熱點溫度有顯著的下降，降約21℃。在未設置油道時，鐵心溫度偏高，致使牽引變壓器承受過負荷工況，因此，嚴格控制鐵心溫升是必要的。設置1個油道時，鐵心內部溫升能夠符合安全運行的標準，既符合經濟性要求又滿足性能需求。

在設置1個散熱油道的情況下，對鐵心空載損耗進行了仿真計算，具體結果見圖4。其中，因附加損耗考慮因素較多，且占比較小，故仿真計算過程中忽略了附加損耗。結果顯示鐵心損耗初期波動較為劇烈，后面峰值趨于平穩，計算平穩后的鐵心損耗均值大約為15 k W，而同等條件下的疊片式鐵心損耗大約為30 k W，空載損耗下降明顯。

圖4 卷鐵心空載損耗仿真結果

通過對單相結構卷鐵心的溫升及空載損耗仿真計算，可以預見采用單框式帶1個油道的鐵心結構設計，在性能達標的同時，保證了經濟性要求。

1.2 電場計算及主絕緣設計

與普通電力變壓器相比，V／X接線牽引變壓器每一柱上有3個繞組，為控制變壓器體積，繞組絕緣距離要合理控制。本牽引變壓器以“電場強度”為絕緣結構設計核心，仿真計算了雷電全波沖擊下高壓線圈各點對地電位分布，并與感應試驗和局部試驗時實際耐受場強比較，以最大場強作為校驗線圈間主絕緣，線圈縱絕緣及開關的主、縱絕緣安全裕度的計算依據。

圖5為全波沖擊下高壓線圈各節點對地電壓波形圖，其中縱坐標單位為電壓標幺值。高壓繞組電抗高度為1 215 mm，由計算結果可知，29號節點處為電壓最大值，最大電位為1.16左右。在此基礎上從兩端起的第1～10餅采用了t0.5 U形墊塊，分接段的中斷點油道為21.6，中斷點上下的2個分接段亦采用t0.5 U形墊塊。

由于卷鐵心的封閉性導致繞組需要在鐵心上繞制完成，并且繞組分布在2個心柱上，高壓繞組之間的絕緣距離對繞組整體分布影響較大，需進行計算評估。

圖5 全波沖擊下高壓線圈各節點對地電壓波形圖

圖6為高壓線圈之間電場分布，可以看到繞組端部位置為局部場強較大點，以繞組端部最大場強為計算依據，仿真計算多組距離下電場強度，得到最終絕緣距離。除此之外內部部件的電場分析也必不可少，根據圖7中結構部件的電場分布，對均壓球等進行了適當優化，降低局部場強，設置合理的絕緣距離，保留了足夠的安全裕度。

圖6 高壓線圈之間電場分布

圖7 均壓球對升高座電場分布

通過雷電波沖擊電壓和電場計算，對重要部位絕緣進行了加強，采用的主絕緣結構見圖8。其中牽引變壓器短路幾率明顯高于電力變壓器，需通過改善絕緣提高抗短路能力。為此線圈墊塊經過預密化處理，撐條使用定位件，且經過倒角處理，同時低壓繞組采用屈服強度≥180 MPa的高強度半硬自黏性換位導線取代傳統銅扁線，在降低渦流損耗的同時，提高了抗突發短路的能力。與傳統疊片式鐵心相比，卷鐵心對主絕緣結構的影響不大，但是考慮到卷鐵心的閉環結構，絕緣件均需拼裝，因此采用大量的成型絕緣件，對制作工藝提出了更高的要求。

1.3 過負荷溫升控制

牽引變壓器的負荷變動劇烈，為了安全穩定運行，要求繞組熱點溫度在任何情況下都不超過140℃。而牽引變壓器常常處于過負荷狀態，本方案變壓器采用油流導向結構，尤其卷鐵心與疊片式鐵心油道差異較大，導致油道內側的紙板固定方式不同，且繞組在鐵心上進行繞制，餅間油道較疊片式鐵心進行了適當放大，為確保方案的可行，需對過負荷下繞組及變壓器油溫升做進一步分析。本方案通過編制程序對80%負荷升至200%負荷，再升至300%負荷情況下各階段牽引變壓器內部溫升進行了計算，得到了每個階段頂層油溫以及繞組熱點溫度。其中，計算過程經過反復推演，以相鄰2個周期繞組溫度、油溫變化規律一致為計算終點，得到最終的頂層油溫和繞組熱點溫度，計算結果見圖9。

圖8 主絕緣結構

圖9 過負荷溫升計算結果

由圖9可知，在三倍負荷下繞組熱點溫度為130℃左右，頂層油溫為90℃左右。結合以往變壓器產品的實測溫升與理論計算的差值規律，安全運行下繞組熱點溫度不超過140℃，頂層油溫不超過105℃，計算結果表明過負荷下該溫升控制方案滿足要求。

2 樣機研制及其關鍵技術

卷鐵心牽引變壓器制造過程主要由鐵心卷繞、鐵心拼裝、鐵心退火、繞組繞制、器身絕緣以及部件裝配等工序組成，具體工藝流程見圖10。

樣機研制過程中的關鍵技術就是大型卷鐵心的成型以及大型立式繞組卷繞技術，其中包括配套鐵心卷繞機、立式繞線機等設備的研制與開發，這同時也填補了國內外高電壓、大容量卷鐵心變壓器制造技術的空白，為日后大容量卷鐵心變壓器的量產打下基礎。

圖10 卷鐵心牽引變壓器制備流程

由上述鐵心設計可知，該變壓器鐵心由2片組成，卷繞出來的單片鐵心柱截面為近似半圓，2片拼合得到的截面近似為圓，圖11為1片鐵心卷繞后的效果。鐵心拼裝前需要先進行退火，這是影響卷鐵心節能效果的關鍵性步驟，本方案在原有退火工藝基礎上進行適當改進，增加了保溫時間以保證退火充分。退火后將2片鐵心拼合，安裝鐵心拉板及支撐木件，并捆扎為一體，即是1個完整的鐵心，見圖12。

圖11 鐵心卷繞

圖12 鐵心拼裝

圖13為卷鐵心線圈繞制現場圖，首先需在成型后的鐵心上設置硬紙筒形成骨架，然后依次繞制牽引繞組、饋電繞組、高壓繞組［14］。由于該繞組體積和質量較大導致無法進行臥式繞制，需進行立式繞制，普通的卷鐵心繞線機無法滿足。圖14為協同研制的立式繞線機，其最大繞制線圈直徑可達1 500 mm，是目前唯一一臺可以進行閉環立式繞制餅式線圈的繞線機，是解決高電壓、大容量卷鐵心變壓器線圈繞制的關鍵設備。該繞線機采用上下雙叉臂支承傳動齒圈的傳動結構，齒圈和上下托板可拆卸，線圈繞制時5片內撐板形成立式“鼠籠”結構，作為線圈繞制時的整體轉動骨架，上下設置“凹、凸”槽，槽之間相互嚙合，確保動力的平順傳輸，并在線圈繞制結束后快捷地抽出內撐板。線圈繞制完后，進行第一次線圈組烘燥，并調整線圈高度與設計數據吻合，這是保證線圈電動力控制在設計安全裕度內的重要環節。

鐵心與繞組裝配完以后，進行開關、引線的連接，引線連接均采用冷壓端子結構，接觸電阻小，連接可靠強度高。然后對變壓器身進行二次氣相干燥，排除絕緣件內部水分，保證變壓器的絕緣性能。最后，內部器身裝配完成之后，進行落罩以及外部套管及絕緣的裝配。

圖13 線圈繞制

圖14 立式繞線機

3 試驗、現場運行與節能效果分析

樣機在國家變壓器質量監督檢驗中心完成例行試驗、型式試驗、特殊試驗，在中南通道王家莊牽引變電所投入運用。表2為部分試驗項目的測量數據值。

由表2可知，試驗中測量得到2臺單相變壓器空載電流值遠低于標準中給出的規定值0.3%，空載損耗32.34 k W，較規定空載損耗少21.1%，其中傳統疊片式鐵心變壓器空載損耗為58 k W，空載損耗下降44.2%。其中31.5 MVA 單相變壓器空載損耗為17.71 k W，與前面仿真試驗結果接近，符合預期估計。試驗測得變壓器正常運行聲級47 dB，較規定值少24.2%，與傳統疊鐵心68 d B相比下降30.9%。突發短路電抗變化率偏差小于0.1%，遠低于規范要求，頂層油溫升以及繞組溫升均低于規定限值。試驗結果表明在符合運行標準［15］的前提下，樣機達到了較好的節能降噪效果。

表2 部分試驗數據

4 結束語

通過對該節能型牽引變壓器試驗數據的分析，可以初步確定該變壓器節能效果顯著，與傳統疊片式鐵心牽引變壓器相比，空載損耗下降44.2%，噪聲值下降30.9%，突發短路繞組電抗變化率小于0.1%，平均溫升小于31.4 K，遠低于規范要求。

同時本次研制過程中取得的技術成果和經驗積累，不僅僅只是應用在牽引供電系統變壓器的制造中，完全可以應用于整個電網系統80 MVA／220 k V及以下電力變壓器的制造中，對500 k V級的有特殊要求的電力變壓器制造也具有實質性的借鑒意義。

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