敞開式立體卷鐵心干式變壓器在冬奧場館冰立方的應用

周有娣，劉長英

(1. 北京建筑設計研究院有限公司，北京 100045； 2. 廣東海鴻電氣有限公司，開平 529000)

1 背景

2022年北京冬奧會期間，國家游泳中心將承接冰壺和輪椅冰壺項目的比賽。為符合2022冬奧會場館低碳環保的建設方向，本次改造工程中，供配電設備選型完全按照奧組委低碳環保、綠色、可持續的理念，變壓器應用了目前行業先進的節能技術產品，即SGB13-RL型敞開式立體卷鐵心干式變壓器。該節能技術產品采用立體卷鐵心結構和NOMEX?芳綸絕緣紙、PIF聚酰亞胺薄膜及艾倫塔斯單組份環保絕緣漆組成的絕緣系統，是一種“高效雙節能”(生產節材、運行節能)、綠色環保、安全可靠的變壓器產品，與2022北京綠色冬奧的理念高度契合，同時與國家綠色制造的可持續發展目標要求高度相符。

2 敞開式立體卷鐵心干式變壓器的技術要點

2.1 鐵心技術

變壓器鐵心設計方面采用目前最先進的立體卷結構。相對于傳統平面疊鐵心，立體卷鐵心具有三相平衡、節能、節材、噪音低、漏磁小等優點。具體分析對比如表1所示。

由于立體卷鐵心特殊的加工工藝，其可做到材料利用率接近100%，而平面疊鐵心的材料利用率約為95%。在相同鐵心直徑、心柱截面、中心距、窗高的情況下，立體卷鐵心與疊片鐵心的重量差就是鐵軛的重量差。參數對照如表2所示。

結合表2，基于立體卷鐵心和平面疊鐵心直徑、截面、窗高、中心距相同的分析，兩種鐵心的心柱重量m0是相等的，即鐵心重量差△m=m2-m1。計算結果如式(1)～(2)所示：

立體卷鐵心和平面疊鐵心各項指標對比 表1

鐵心參數對照表 表2

m1=3M0×Sg+0.486×D×S×g

(1)

m2=4M0×S×g+2.14×D×S×g

(2)

結合以上數據可推導出：立體卷鐵心與疊片鐵心的重量差如式(3)所示：

△m=m2-m1=M0×S×g+

1.654×D×S×g

(3)

將立體卷鐵心和平面疊鐵心參數帶入計算，此部分立體卷鐵心的硅鋼片用量平均下降約18%。結合材料利用率因素，立體卷鐵心總體硅鋼材料重量可節約23%。以本次“冰立方”應用的2臺型號為SGB13-RL-1600/10的敞開式立體卷鐵心干式變壓器為例，可節省硅鋼片用量約1.6t，節能優勢明顯。

變壓器空載損耗公式：P0=Pt× K0×M，考慮到立體卷鐵心鐵軛部分的損耗增加，假定心柱的單位損耗為Pt1，鐵軛的單位損耗為Pt2。立體卷鐵心和平面疊鐵心的空載損耗下降比較參見表3。

空載損耗下降比較 表3

綜合考慮以上各方面因素，相對于平面疊鐵心，同容量立體卷鐵心的空載損耗可以下降18%～28%。以本次“冰立方”應用的2臺型號為SGB13-RL-1600/10的敞開式立體卷鐵心干式變壓器為例，空載損耗下降1 170W，年運行空載能耗可降低約10 249kWh，節能效果突出。

2.2 繞組技術

變壓器繞組結構方面采用電場分布均勻、散熱效果好的餅式結構。通常情況下，干式變壓器的可靠性受絕緣材料的老化影響較大，老化主要分為熱老化和電老化。熱老化受負載大小影響較大，負載越大，變壓器運行時溫度越高，熱老化越快。敞開式立體卷鐵心變壓器繞組合理設定橫向散熱氣道，保證線圈整體散熱效果好，從而可以延緩變壓器的熱老化。

電老化受工作電壓、過電壓影響，在變壓器通電后持續進行。因此，線圈各部位的電場強度分布是否均勻、是否存在場強集中，將很大程度影響絕緣材料電老化的進度。

電場強度可按式(4)計算：

(4)

式中，E為電場強度，V/mm；d為帶電導體的間距(含導線匝絕緣)，mm；U為帶電導體之間的電壓，V。

一般情況下，干式變壓器線圈內部絕緣體系包含兩種或以上絕緣材料。對于樹脂絕緣干式變壓器來說，其高壓線圈絕緣主要由導線絕緣(漆包線或玻璃絲包線)和環氧樹脂組成；對于敞開式干式變壓器高壓線圈絕緣主要為導線絕緣(Nomex紙包線)、絕緣漆和空氣組成。圖1為包含兩種絕緣材料的絕緣體系。

圖1 絕緣系統示意圖

圖1中，d1為其中一種絕緣材料(以下稱為絕緣材料1)的厚度，ε1為該材料的介電常數，d2為導體匝絕緣的厚度，ε2為導體匝絕緣的介電常數，U為裸導體間電壓。設作用在絕緣材料1上電壓為U1，電場強度為E1；作用在導體匝絕緣間的電壓為U2，電場強度為E2。

由公式(4)可推導出：

U1=E1×d1

(5)

U2=E2×d2

(6)

絕緣材料的介電常數和電場強度的關系如式(7)所示：

ε1/ε2=E2/E1

(7)

由式(5)和式(6)可知：

U1/U2=E1×d1/E2×d2

(8)

將式(6)帶入式(7)可得：

U1/U2=d1ε2/d2ε1

(9)

又

U=U1+U2

(10)

結合式(9)、(10)可得：

U1=U/(1+d2ε1/d1ε2)

(11)

E1=[U/(1+d2ε1/d1ε2)]/d1

(12)

同理可以求出E2。

本次應用于“冰立方”變壓器額定電壓為10kV，調壓范圍為±2×2.5%，最大分接電壓10 500V， 三相高壓線圈為三角形聯結，繞組縱向分為30段，段間距最少為4mm，段間絕緣為空氣，介電常數為1；導線匝絕緣以NOMEX?芳綸絕緣紙為主，介電常數為2.5，絕緣厚度為0.3mm，由式(9)可知，作用在導線絕緣(即NOMEX紙)上的最大電場強度E1=[10 500/30/(1+4×2.5/0.3×1)]/0.3=34V/mm；作用在段間空氣的最大電場強度E2=[10 500/30/(1+0.3×1/2.5×4)]/4=85V/mm。如此小的電場強度對介質的電子遷移影響很小，因此很難激發局部放電，繼而可以延緩變壓器的電老化。

變壓器繞組絕緣材料應用耐溫等級高、綠色環保、阻燃的NOMEX?芳綸絕緣紙、PIF聚酰亞胺薄膜及艾倫塔斯單組份環保絕緣漆。同時，繞組可燃物含量較傳統環氧樹脂下降約85%。繞組各項主要綠色指標與傳統樹脂絕緣干式變壓器對比如表4所示。

如表4所示，綠色制造干式變壓器以NOMEX?紙為主要絕緣材料。NOMEX?紙的特點包括：1)介電常數為1.5～2.5。更接近空氣的介電常數，可使作用在空氣隙的場強較低；其他H級固體絕緣材料的介電常數，都比NOMEX?紙的介電常數大。2)局部放電起始電壓也較高。結合餅式線圈結構場強分布均勻的特點，從產品設計上保證變壓器線圈無局部放電。3)具有很好的防潮性能，不吸水，即使在95%相對濕度下，仍可保持完全干燥時90%的介電強度(表5顯示了濕度對NOMEX?紙 410-25MM(10MIL)電氣特性的影響)。4)在220℃下的化學穩定性好。5)阻燃性好，在220℃高溫下氧指數仍大于20.8%。即使在特高溫度燃燒，著火后能自熄而不助燃。 美國UL認證NOMEX?紙的阻燃等級為V-0級，屬于高阻燃等級。6)當產品達預期運行壽命后，回收很方便，不存在任何影響環保的問題，因此環保性能好，通過UL認證在750℃高溫下無有毒有害氣體。

敞開式干式變壓器和樹脂絕緣干式變壓器對比表 表4

濕度對Nomex紙電氣特性的影響 表5

2.3 結構件技術

變壓器夾件、安裝底座等結構件應用先進的折彎板式結構，采用不銹鋼材料，既減少了整體材料用量，同時又降低了雜散損耗，消除了制造過程中酸洗、磷化、噴漆等不環保工序，而且在變壓器壽命終期回收利用率高，高度符合可持續利用的環保理念。

3 敞開式立體卷鐵心干式變壓器的制造要點

圖2為敞開式立體卷鐵心干式變壓器的簡易生產流程圖。

圖2 簡易生產流程圖

敞開式立體卷鐵心干式變壓器的鐵心生產加工過程分為開料、卷繞、退火及裝配，實現流水線操作，自動化程度高，生產效率高，產品質量穩定可靠。其中，開料工序采用自動化曲線開料技術，使得材料利用率接近100%。卷繞工序采用擁有發明專利的立體卷鐵心專有自動化卷繞設備，提高效率的同時，保證硅鋼片之間貼合緊密，降低鐵心運行時的空載電流和噪音。退火工序同樣采用自動化退火裝置配合專有的退火曲線，消除了硅鋼片在開料和卷繞中產生的應力，將硅鋼片的導磁性能基本恢復到初始狀態，從而降低空載損耗和空載電流。

敞開式立體卷鐵心干式變壓器的高壓線圈，相對于多數澆注絕緣干式變壓器分段圓筒式的線圈結構，無需裝配外模，繞制工藝更簡單。線圈工序可縮短約1個工作日。

線圈繞制完成后和鐵心一起采用VPI設備和真空壓力浸漬技術進行浸漆，絕緣漆采用可再生的環保漆，固化后具有良好的電氣和機械性能。同時，相對于樹脂絕緣干式變壓器的高壓繞組單獨澆注、低壓繞組和鐵心通常不澆注的工藝，經過整體真空壓力浸漆之后，產品整體防潮能力出色，可適應各種極限的潮濕環境。

4 敞開式立體卷鐵心干式變壓器的經濟效益和社會效益

變壓器在傳輸功率的過程中其自身會產生有功功率的損耗(即空載損耗與負載損耗的總和)。通常采用“變壓器全年運行成本”這個參數，可反映出變壓器運行一年所消耗的電費。具體計算公式如式(13)所示：

Cp={Hpy×(P0+KQ×I0×Se)+

τ×β02(Pk+KQ×Uk×Se)}×E

(13)

式中，Cp為變壓器全年運行成本，元；I0為變壓器空載電流，%；Hpy為變壓器年帶電小時數，h；Uk為變壓器短路阻抗，%；τ為變壓器年最大負載損耗小時數，h；Se為變壓器額定容量，kVA；P0為變壓器空載損耗，W；KQ為變壓器無功當量；Pk為變壓器負載損耗，W；β0為變壓器初始年高峰負載率；E為電費，元。

表6為相同主材成本下SGB-RL型與SCB型干式變壓器性能對比表。

變壓器性能對比表 表6

通過表6可知，敞開式立體卷鐵心干式變壓器的空載損耗、空載電流、負載損耗相對于傳統平面疊鐵心干式變壓器產品均有明顯的下降，因此按照公式(13)可知，其運行更節能，更經濟。以本次冰立方2臺1 600kVA為例，每年可降低能耗11 862kW·h。 按照國家能源局發布的數據，2020年全國供電標準煤耗為305.5g/kW·h，可節約3.6t標準煤，降低約2.5t碳排放，經濟效益和社會效益明顯。

5 結束語