基于卷鐵芯變壓器技術(shù)在軌道交通供電方面優(yōu)勢的討論

王瑞清

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司電氣化設(shè)計院分公司，天津300250）

敞開式立體卷鐵芯干式變壓器區(qū)別于傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂干式變壓器，采用阻燃型絕緣系統(tǒng)及VPI 真空壓力浸漆工藝，結(jié)合立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)，采用立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的鐵芯結(jié)構(gòu)，立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)更加合理，優(yōu)勢明顯：抗短路能力更強、空載損耗及空載電流更低、電場磁場強度低、噪音大幅度降低、三相平衡，主要性能指標均優(yōu)于國內(nèi)標準。區(qū)別于環(huán)氧樹脂干式變壓器，立體卷鐵芯繞組采用NOMEXR+絕緣漆的絕緣系統(tǒng)，具有阻燃、耐沖擊能力強、過載能力強、環(huán)保等優(yōu)點。

因其軌道交通運行情況的特殊性，對牽引變壓器的耐負荷沖擊能力及過載能力提出新的挑戰(zhàn)。同時隨著國家高質(zhì)量發(fā)展及軌道交通安全可靠運行要求的提高，對變壓器產(chǎn)品防火、防爆等安全方面的要求也進一步提高。

傳統(tǒng)的疊鐵芯變壓器采用環(huán)氧樹脂絕緣，環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的電氣性能和機械強度，廣泛的應用于各種干式變壓器。但與此同時，固化后的環(huán)氧樹脂硬度大、韌性差，在軌道交通負荷頻繁改變、短時沖擊大的特殊工況下，存在開裂的隱患，這一點在實際應用中也曾出現(xiàn)過。另外，由于市場化競爭的原因，目前環(huán)氧樹脂的質(zhì)量存在參差不齊的情況，多為環(huán)保不達標且不阻燃的樹脂，從而影響變壓器整體的可靠性、阻燃性及環(huán)保特性。

從各個方面可以看出，作為軌道交通供電系統(tǒng)中重要組成設(shè)備，城市軌道交通領(lǐng)域?qū)恳髯儔浩髟诎踩煽俊⒐?jié)材、節(jié)能、環(huán)保等方面提出了更高的要求。（1）安全可靠方面：要求結(jié)構(gòu)合理、散熱良好、過載能力強、抗短路能力強、阻燃等級高。（2）節(jié)材方面：在保證基本功能和安全可靠的前提下，在設(shè)計、生產(chǎn)制造過程中盡量減少原材料的使用。（3）節(jié)能方面：在整個運行周期中相對目前變壓器能耗需大幅降低。（4）環(huán)保方面：在整個運行周期中噪音低、電磁輻射小，壽命終期，主要部件可回收再利用，不可回收的材料處理方式應遵循盡量不危害環(huán)境的原則。目前，國內(nèi)軌道交通中使用的變壓器主要為疊鐵芯結(jié)構(gòu)的樹脂澆注干式變壓器。這種變壓器多數(shù)采用硅鋼材料的疊鐵芯結(jié)構(gòu)。疊鐵芯結(jié)構(gòu)由硅鋼片疊積而成，硅鋼片對接處形成氣隙，氣隙的磁阻很高，空載時的損耗和空載電流大增，噪音也比較大。硅鋼片經(jīng)過剪切、疊裝過程后會影響磁疇的排列，同時導致空載損耗上升。套裝式線圈套裝時需保留包裝間隙，而該縫隙的存在會使線圈的抗短路能力下降。運行過程中空載電流大，造成網(wǎng)絡功率因數(shù)降低，無功補償投入增加。另有小部分采用非晶合金材料的平面卷鐵芯結(jié)構(gòu)，非晶合金鐵芯的優(yōu)點是空載損耗低，缺點是抗短路能力差、噪音高。環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器的線圈為環(huán)氧樹脂澆注而成。這種結(jié)構(gòu)的線圈存在如下缺點：a.用環(huán)氧樹脂作為主要絕緣材料，難以降解。線圈回收需將樹脂剖開，造成極大粉塵污染，且人工較高，不符合環(huán)保可再生要求。b.燃燒時產(chǎn)生大量有毒氣體和濃煙。c.線圈被樹脂包封，維修需將整個線圈剖開報廢，再重新繞制。另外，目前應用于軌道交通的變壓器損耗水平基本較低，運行過程中能耗大。相對于傳統(tǒng)的疊鐵芯干式變壓器，敞開式立體卷鐵芯干式變壓器性能方面具有其特殊優(yōu)勢：

空載損耗：

1 損耗低

p0空載損耗;k0工藝系數(shù);G 鐵芯重量;Pt鐵芯材料的單位損耗；經(jīng)過計算空載損耗平均可下降25%以上。

1.2 由于特殊的三維立體結(jié)構(gòu)，使鐵芯的鐵軛部分用材量比傳統(tǒng)疊片鐵芯減少25%，且減少的角重占鐵芯總重約6%。

1.3 空載電流低

立體卷鐵芯卷鐵芯經(jīng)高溫、退火處理，不僅消除了鐵芯的機械應力，而且細化了硅鋼片的磁疇，提高了硅鋼片二次再結(jié)晶能力，完全恢復硅鋼磁性能。三相磁路無接縫，磁力線與鐵芯材料及磁化方向完全一致。空載電流平均下降70%以上。

1.4 負載損耗下降

立體卷鐵芯截面填充系數(shù)高，有效面積相同情況下，立體卷鐵芯芯柱直徑小，從而減少線圈導線長度，節(jié)約繞組線材。同時也可以降低負載損耗。負載損耗下降5%以上。

2 噪聲低

由于卷鐵芯是將硅鋼片條料在專用的鐵芯卷繞機上不間斷、緊密連續(xù)卷制而成，沒有接縫，不會產(chǎn)生如疊片式鐵芯那樣因磁路不連續(xù)而發(fā)出的噪聲。同時，三相磁路、磁通完全對稱，工作磁密設(shè)計合理，因而產(chǎn)品噪聲大大降低。

3 周邊電場磁場強度小（輻射小）

立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)可大大降低變壓器周圍的雜散磁場。空間漏磁小，僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變壓器的一半，減少電磁輻射。

4 過載能力強

立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)自身的發(fā)熱量降低，卷鐵芯變壓器其空載損耗、空載電流都非常小，產(chǎn)品本身發(fā)熱量就很低。

5 結(jié)構(gòu)緊湊，占地小

立體鐵芯使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，器身平面占地面積比傳統(tǒng)產(chǎn)品減少10～15%，器身高度降低10～20%，若安裝在箱式變電站中可縮小箱變體積近1/4。

6 磁路優(yōu)化

6.1 卷鐵芯層間沒有接縫，磁路各處分布均勻，沒有明顯的高阻區(qū)，沒有接縫處磁通密度的畸變現(xiàn)象。

6.2 三相磁路長度相等，三相磁路長度之和最短。

6.3 三相磁路對稱，三相空載電流平衡。

7 鐵芯散熱優(yōu)勢

通過在立體卷鐵芯內(nèi)設(shè)置的散熱通道，以循環(huán)的絕緣油或者冷卻氣體為立體卷鐵芯降溫。由于散熱通道設(shè)置在鐵芯柱的結(jié)合與卷鐵芯元件的其中兩層導磁帶之間，散熱通道與立體卷鐵芯的接觸面積大，并且散熱通道截面大，通過的絕緣油或者冷卻氣體流量大，能迅速地帶走立體卷鐵芯的熱量；同時，散熱通道的布置合理、均勻，立體卷鐵芯的散熱均勻，避免了立體卷鐵芯的局部高溫而影響使用壽命。三相線圈呈“品”字形排列，在線圈間形成一條上下貫通的中芯天然氣道-“抽風煙囪”，由于上下鐵軛溫差30～40度，產(chǎn)生強烈的空氣對流，冷空氣從下面往中芯通道補充，熱量從上鐵軛內(nèi)斜面輻射出去，自然循環(huán)中迅速帶走變壓器產(chǎn)生的熱量。

8 敞開式立體卷鐵芯干式變壓器防塵技術(shù)處理

敞開式立體卷鐵芯干式變壓器因線圈絕緣紙裸露在室外，需在線圈外側(cè)加裝防塵筒，以提高其防塵要求。

8.1 通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一般軌道交通用變壓器運行環(huán)境潮濕，污穢嚴重，易產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，降低變壓器絕緣強度，不利于變壓器安全可靠運行。

8.2 不加防塵筒方案繞組平均溫升設(shè)計值80K，那么在負載率50%下，繞組平均溫升僅40K。實際運行中線圈下部的溫度更低，線圈與鐵心下部容易生產(chǎn)凝露現(xiàn)象。加裝防塵筒方案溫升設(shè)計值有所提高，有利于提高產(chǎn)品安全可靠性。

試驗對比：

從運行案例和絕緣數(shù)據(jù)上看，常規(guī)產(chǎn)品的防塵效果卓越，完全滿足項目要求。鑒于客戶對設(shè)備運維提出更高要求，在變壓器線圈外部加裝絕緣防塵筒的方案。防塵筒包繞在線圈外部，線圈與防塵筒之間存在空氣間隙。增加防塵筒能保證線圈和污穢物實現(xiàn)零接觸，耐污穢能力優(yōu)于樹脂澆注產(chǎn)品，延長變壓器運維周期，減少運維工作量。

利用目前的同相供電敞開式干變進行驗證，試驗結(jié)果表明，變壓器增加防塵筒后絕緣性能更強，各項試驗指標滿足要求，但產(chǎn)品溫升有所升高：

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通過試驗數(shù)據(jù)對比，變壓器增加防塵筒后，高壓溫升變化較大，低壓溫升變化不大。針對試驗情況，對技術(shù)方案進行調(diào)整，使得高壓溫升和低壓溫升設(shè)計值均衡，均為105K。

設(shè)計壽命：

絕緣系統(tǒng)耐熱等級為220℃，產(chǎn)品額定溫升低至105K，額定負載時平均溫度約為130℃，根據(jù)絕緣壽命計算公式Log time=7461/(℃+273)-10.4,主絕緣設(shè)計壽命遠超合同要求100 年。

經(jīng)技術(shù)及模擬實驗對比立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)變壓器空載損耗平均可下降25%以上，空載電流平均下降70%以上，負載損耗下降5%以上，噪音平均降低10dB以上，泄露電磁場輻射強度降低50%；原材料使用方面：硅鋼片用量減少25%以上，銅材用量減少5%～8%，可燃物用量減少80%以上。

前些年因技術(shù)不成熟，立體卷鐵芯變壓器在大容量變壓器上不能發(fā)揮優(yōu)勢，而其特殊的生產(chǎn)工藝不適合工業(yè)化生產(chǎn)，但是隨著技術(shù)的進步，這些技術(shù)難題已經(jīng)被解決。綜合而言，采用敞開式立體卷鐵芯干式變壓器結(jié)構(gòu)的牽引整流變壓器更加合適在城市軌道交通領(lǐng)域使用，其結(jié)構(gòu)特點更能應對城市軌道交通牽引整流變壓器的運行工況，同時符合軌道交通安全、綠色的發(fā)展理念，將會是軌道交通牽引整流變壓器的發(fā)展方向。滿足軌道交通運行工況的要求。