非晶合金變壓器在城市軌道交通行業的應用研究

李堅生

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

非晶合金材料早在20 世紀70 年代開始研制，具有優異的導磁性、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高強度、高電阻率等諸多獨特性能。我國非晶合金動力變壓器的研制工作始于“七五”期間，1986 年，試制出國內第一臺單相3kVA 非晶合金動力變壓器。由于非晶合金變壓器節能效果明顯，在各行各業應用廣泛。在城市軌道交通領域，非晶合金干式變壓器應用也日益廣泛，其容量最大達2500kVA，額定電壓最高達35kV。自上海城市軌道交通11 號線于2011 年4 月掛網運行35kV 非晶合金干式變壓器（動力變）以來，目前，35kV干式非晶合金變壓器已在上海11 號線迪士尼、17 號線、14 號線、15 號線、18 號線等線路上得到大量應用。其他城市如廣州城市軌道交通、成都城市軌道交通、大連城市軌道交通、深圳城市軌道交通均有線路應用。

1 非晶合金的機理

非晶合金變壓器以鐵基非晶態金屬作為鐵芯，鐵基非晶態金屬主要以鐵、鎳、鈷等金屬組成，并加入少量的硼、硅等元素制成的合金，具有良好的鐵磁性。

物質就其原子排列方式來說，可以分為晶態和非晶態兩類。對于導磁的金屬來說，在通常情況下，金屬及合金在液態凝固成固態時，原子總是從液態的混亂排列轉變成整齊的排列，成為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非?？欤ɡ鋮s速度106℃/s），原子來不及排列整齊便被凍結住了，最終的原子排列方式類似于玻璃，混亂無序，這就是非晶合金。

2 城市軌道交通動力變壓器的應用場景

根據城市軌道交通的運營計劃，城市軌道交通變壓器的日負荷特性可以分為兩個階段。0：00—5：30各車站處于夜間停運模式，僅有少量的應急照明負荷、部分設備房間的小系統空調負荷和維修用電負荷；5：30—24：00 進入區間隧道通風和白天的正常運營模式。理想負荷曲線如圖1 和圖2 所示，但是用電負荷曲線隨時間時刻變化，存在明顯的峰谷值，比較典型的車站動力變壓器用電負荷曲線如圖3 所示。負荷一方面體現出明顯的兩個階段，另一方面也體現出明顯的時變性，峰值負荷的波動較大[1]。

圖1 冬、春季動力變壓器典型負荷曲線

圖2 夏、秋季動力 變壓器典型負荷曲線

圖3 典型車站動力變壓器日負荷曲線

此外，軌道交通的動力負載除了日常的時段變化外，還跟線路運營時長存在關系。普遍認為，在線路開通初期，變壓器的負載率不高，隨著線路近期和遠期的乘客密度、列車的行車密度上升，車站的負載率也會有所增加。

目前，城市軌道車站和車輛段降壓變電所動力變壓器的運行負載率普遍偏低，造成動力變壓器的安裝容量過大，供電系統運行的固有損耗偏大，運營不經濟。但是，在實際運行過程中，也存在變壓器容量選型偏緊的情況，對后期運營造成困難，合理選擇變壓器容量的前提是準確估算用電負荷。

3 非晶合金變壓器的經濟性分析

非晶合金變壓器的最大優點就是空載損耗低，相比傳統SC（B）10 系列變壓器空載損耗降低60%～70%，相比SC（B）13 系列節能變壓器空載損耗降低50%～60%。非晶合金變壓器的低空載損耗特性貼合城市軌道交通供電系統的需求，非常有效地降低運營能耗。

與電力變壓器一樣，采用TOC 法，從初始投資和運營損耗損失兩個方面進行考慮與核算，其中由于13系列能效1 級電工鋼變壓器和15 系列能效1 級非晶合金變壓器在負載損耗上也存在差異（見表1）。因此，負載損耗引起的差異也列入考核范圍，負載率按年平均60%計算，電費取0.8075 元/kWh[2]。

表1 SCBH15 非晶合金變壓器相對于SC（B）13 能效1 級電工鋼變壓器經濟性對比

通過以上分析，可以看出相對于SC（B）13 能效1級電工鋼變壓器，SCBH15 系列能效2 級非晶合金變壓器均可取得較好的收益，回報年限均在6～7 年左右。此外，在城市軌道交通供電系統中，變壓器是主要的發熱設備，非晶合金變壓器的應用還可以減輕環控系統的負荷，降低環控系統的工程投資。

4 非晶合金變壓器的適用性分析

4.1 故障分析

目前，多地城市軌道交通運營公司反映區間跟隨式降壓變電所非晶合金變壓器凝露現象比較嚴重，造成變壓器絕緣能力降低，甚至部分出現閃絡的現象。以某地鐵區間跟隨式降壓變電所非晶合金變壓器故障為例進行說明。

2022 年4 月30 日凌晨，根據現場通知，供貨商售后服務人員配合現場對X 區間所1#變壓器A 相異響進行處理。隨后，當日凌晨3：31 對變壓器再次送電。送電時，變壓器出現異響且有紅光發生，高壓開關報過流保護動作，隨即停電檢查變壓器，發現C 相高壓線圈出現電弧灼燒的痕跡。4 月30 日晚至5 月1 日凌晨，供貨商技術人員與項目各方共同對該設備進行檢查與測試，發現現場變壓器內有凝露，C 相高壓線圈有閃絡造成的電弧灼燒痕跡，并發現C 相線圈連接桿及線圈的上下夾件存在多處放電痕跡，直流電阻測量發現C 相高壓線圈下半部分存在斷線情況。

檢查變壓器外觀，發現C 相存在多處放電點及電弧灼燒痕跡。從變壓器C 相出現多處放電點及閃絡灼燒的痕跡，可以判斷C 相線圈曾出現較為嚴重的過電壓放電現象，并形成沿面閃絡，產生電弧灼燒線圈和墊塊表面。

在拆解過程中，發現整臺變壓器積塵嚴重，局部區域存在水滴。檢查三相線圈表面，發現內表面均存在放電痕跡，C 相最為嚴重。將三相線圈和絕緣筒拔出，進行外觀檢查，低壓線圈和內絕緣筒基本正常，三相高壓線圈內表面均存在不同程度的放電痕跡。

從解剖情況可以看出，失效部位在線圈內的影響范圍很小，只有底層最靠邊的導體燒斷，燒穿了對應部位的線圈內層絕緣，并且可以清晰看出對應上層導線基本未受影響，對應匝間絕緣完整，判斷故障點不在線圈內部的層間和匝間。

委員會負責制作為一種組織結構形式，其主要特點是民主決策和集體行動。國立北平圖書館委員會是常設委員會，是討論和決策館務大事的機構，其委員為名譽職位，除正、副館長之外，其余委員均是從館外聘請的專家、學者。建筑委員會是臨時性委員會，負責討論和決策新館建筑建設事務，新館落成后即解散，其委員除副館長（代理館長）袁同禮外，其余均從館外聘請。購書委員會是常設委員會，負責討論和決策中西文圖書采訪的方針和規則，其委員除少數為館內職員外，多數從館外聘請。

當線圈內表面出現帶粉塵污穢的連續水膜時，其表面體積電阻率大幅度下降，此時將形成典型的沿面放電現象（具體過程可參見《高電壓絕緣技術》），泄漏電流沿線圈表面并逐步形成放電通道，將線圈內表面絕緣燒蝕，形成樹枝狀放電痕跡，導致絕緣薄弱點，達到局部電弧發展階段。在該事件過程中，當合閘產生操作過電壓時，在絕緣薄弱位置與地電位之間形成閃絡。

從該事件過程看，當合閘時產生操作過電壓，激發了絕緣薄弱部位與地電位之間的表面閃絡，一段時間后最終導致線圈內表面與地電位之間電弧貫穿。

從保護記錄來看，零序過流啟動導致速斷動作，同時C 相電壓大幅度下降都表明發生了對地短路。此次的擊穿現象是與線圈內部匝間或層間短路造成的失效情況存在明顯區別，典型的內部匝間或層間短路會在短路點位置積聚并釋放大量能量，從而使短路點周圍導體燒熔和樹脂碳化，在線圈表面形成噴射狀破壞現象，內部燒蝕十分嚴重，且線圈內部影響范圍大于外部[3]。

該內部影響范圍很小，僅在斷線點附近極小范圍內的絕緣燒蝕，燒穿了對應部位的線圈內層絕緣，對應上層導線基本未受影響，對應匝間絕緣完整，線圈內部無短路點。由此可以判斷，該故障原因是線圈內表面與地電位之間電弧擊穿，導致短路。

4.2 故障原因

經研究，主要有以下三點原因：

4.2.1 區間跟隨式降壓變電所變壓器負載率低，非晶變壓器空載損耗低，設備自身損耗發熱低。區間跟隨式降壓變電所一般與區間風井合建，變電所負荷以消防負荷為主，變壓器容量按消防負荷計算。同時，考慮單臺變壓器故障帶全所一、二級負荷的情況，導致區間風井變壓器正常運行的負載率非常低，通常負載率只有10%～15%。疊加非晶合金變壓器的低空載損耗特性，變壓器本身損耗發熱低。

4.2.2 城市軌道交通的地下設備房環境濕度大、灰塵多，而區間風井設備房的空調系統不具備抽濕功能。設備表面溫度不高，空氣濕度大，導致設備表面凝露。設備表面灰塵多，疊加凝露，形成良好的放電回路?？赏ㄟ^在區間設備房增設抽濕設備解決，但會增加設備投資，以及帶來更多的設備運營成本。

考慮上面的三點原因，非晶合金變壓器在區間跟隨所降壓變電所的應用優勢不明顯，綜合運維成本，常規電工鋼變壓器的使用效果更佳。

4.3 缺點

非合金變壓器除了其優異的節能特性外，也存在一些設備固有的缺點。

4.3.1 脆性

非晶合金帶材具有脆性，其抗外應力性能不及硅鋼片變壓器。干式非晶合金帶碎片的產生主要發生在生產環節，在工廠澆筑完成后再產生碎片的可能性很小。近年，隨著生產工藝及運輸防護技術的提高，非晶合金碎片化的缺陷已有很大改善。

4.3.2 噪聲大

非晶合金變壓器的噪聲主要來源于非晶合金變壓器鐵芯、繞組及其他裝置（冷卻裝置）等。變壓器在運行過程中，非晶合金帶材的磁致伸縮現象是引起鐵芯振動和噪聲的主要原因。由于非晶合金帶材的磁致伸縮率比硅鋼片大，因此非晶合金變壓器噪聲比硅鋼變壓器略大。

4.3.3 體積、重量更大

非晶合金變壓器由于其鐵芯工藝和結構方面的原因，產品的體積、重量通常比同容量常規硅鋼片變壓器大約10%和20%。由于城市軌道交通的設備房多位于地下，體積和重量均更大的非晶合金變壓器對設備運輸和安裝提出更高的要求。

4.3.4 價格更貴

相同容量的非晶合金變壓器比傳統硅鋼變壓器貴20%～30%。一方面源于非晶合金變壓器的制造門檻更高，非晶合金帶材的成本也更高；另一方面，目前非晶合金變壓器的使用尚處于逐步推廣擴大階段，特別是軌道交通行業，各地尚處于試點應用階段，量少不利于設備的規?；s化生產。隨著將來設備的普遍應用，其產品造價還有一定的壓縮空間[4]。

5 結語

綜上所述，非晶合金變壓器非常符合城市軌道交通的負荷特性，也符合當下社會綠色節能的社會主基調。從全生命周期成本來看，經濟效益顯著，有非常寬廣的應用前景。但是，在地下區間跟隨式降壓變電所的應用場景下還有所局限，隨著產品技術的發展，這些問題也必將得到很好的解決。