S13立體卷鐵心變壓器技術探討

王欽波，祝燕清，齊玉明，張付義，范克科，許岐岐

（1.濟南清河電氣有限公司，山東濟南250116；2.國網(wǎng)山東寧津縣供電公司，山東德州253400）

S13立體卷鐵心變壓器技術探討

王欽波1，祝燕清1，齊玉明2，張付義1，范克科1，許岐岐1

（1.濟南清河電氣有限公司，山東濟南250116；2.國網(wǎng)山東寧津縣供電公司，山東德州253400）

探討了S13系列立體卷鐵心變壓器和傳統(tǒng)疊鐵心S11變壓器的結構特點，并根據(jù)各自的結構分析其空載損耗、空載電流、承受短路的能力和過負載能力等性能，對兩者的經(jīng)濟性做論證分析。在經(jīng)濟技術性能方面，卷鐵心變壓器優(yōu)于疊鐵心變壓器。S13立體卷鐵心變壓器具有低損耗、低噪音、低成本、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

立體卷鐵心；低損耗；低噪聲；節(jié)能

0 引言

節(jié)約能源使用節(jié)能產(chǎn)品是我國的一項基本國策。開發(fā)低損耗變壓器的主要手段是采用新材料，應用新結構和新工藝。除此之外變壓器行業(yè)對鐵心結構也進行了大量的研究和開發(fā)工作，各種結構的鐵心不斷出現(xiàn)。S13立體卷鐵心變壓器提高了電壓質量和供電的可靠性，更有利于環(huán)保。

1 立體卷鐵心與疊片鐵心比較

傳統(tǒng)變壓器的鐵心采用平面結構及疊片工藝，存在三相磁路不平衡，局部磁通方向和硅鋼片導磁方向不一致以及多處空氣接縫等缺陷，制約了變壓器能效水平的提升。立體卷鐵心磁路中無空氣隙，卷繞緊密，3個磁路長度一致，且都最短，鐵心心柱的橫截面更接近于圓形。這些結構上的特點使該種變壓器具有明顯的優(yōu)點，如節(jié)省材料、性能高、損耗低、噪聲低、三相磁路平衡、三次諧波少等，立體卷鐵心三相磁路如圖1所示。

立體卷鐵心是由3個幾何尺寸相同的卷繞式鐵心單框拼合成的三角形立體布置的鐵心。每個柱體由優(yōu)質冷軋硅鋼薄帶連續(xù)卷制，帶寬經(jīng)數(shù)控開料機作直線或曲線剪切，這種套裁可以做到無廢料加工，即套裁時材料利用率接近100%。疊片鐵心是由剪切成一定形狀的硅鋼鐵心片疊裝而成，在制造過程中為了剪切成規(guī)定的形狀就會沖去一些邊角，材料的利用率大大降低。據(jù)有關生產(chǎn)廠家推算這部分廢料大概占疊鐵心總重的5%左右。

圖1 立體卷鐵心三相磁路示意

立體卷鐵心和疊片鐵心的填充系數(shù)也存在一定的差別。圖2、圖3分別為立體卷鐵心和疊鐵心變壓器截面圖。

圖2、圖3比較可以發(fā)現(xiàn)，立體卷鐵心截面是接近于圓的一個規(guī)則多面體，填充系數(shù)大，而疊片鐵心是階梯型，填充系數(shù)小。在相同截面積下填充系數(shù)大成型后鐵心直徑相對就要小一些，銅線用量相應的也就輕，降低變壓器整體成本。表1為相同參數(shù)下立體卷鐵心與疊片鐵心的質量對比［1］。

圖2 立體卷鐵心變壓器鐵心截面

3個幾何尺寸相同的卷繞式鐵心單框拼合成的三角形立體布置的鐵心，材料利用率高，填充系數(shù)大，大大降低變壓器成本。立體卷鐵心較疊鐵心技術性能更強，經(jīng)濟性能更高。

2 S13立體卷鐵心變壓器技術特點

2.1 低損耗、重量輕

立體卷鐵心的磁化方向完全與硅鋼片的軋制方向一致，且鐵心層間沒有搭頭接縫，磁路各處的磁通分布均勻，沒有明顯的高阻區(qū)，沒有接縫處磁通密度的畸變現(xiàn)象。在材質相同的前提下，卷繞式鐵心與疊片式鐵心相比，鐵損工藝系數(shù)從1.15～1.3下降到1.05～1.1，僅此一項可使鐵心損耗降低10%～20%。

通過實際數(shù)據(jù)對比，同等容量卷鐵心變壓器比疊鐵心變壓器鐵心重量減少18%，節(jié)約銅3%左右。

2.2 低噪音

變壓器本體振動產(chǎn)生噪音的主要原因：硅鋼片的磁致伸縮引起鐵心振動；硅鋼片接縫處和疊片之間存在著因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力，引起鐵心振動；鐵心的材質太差，損耗太高；變壓器鐵心制造工藝；變壓器設計過程中的磁通密度。

由于三維立體卷鐵心是將硅鋼片條料在專用的鐵心卷繞機上不間斷、緊密連續(xù)卷制而成，沒有接縫，磁路暢通不會產(chǎn)生磁阻現(xiàn)象也就不會產(chǎn)生疊片變壓器連續(xù)而發(fā)的噪音。同時，三相磁路、磁通完全對稱，工作磁密設計合理，因而產(chǎn)品噪音大大降低。

2.3 過載能力強

立體卷鐵心變壓器三相線圈呈“品”字形排布，如圖4所示，在線圈間形成一條上下貫通的中心天然通道，由于上下鐵軛溫差30～40℃，產(chǎn)生強烈的對流，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。因此，該變壓器的繞組、鐵心散熱好，溫升低，過載能力強。

圖4 線圈布置圖

3 S13立體卷鐵心變壓器經(jīng)濟性能

立體卷鐵心變壓器的節(jié)能效果和經(jīng)濟性已經(jīng)得到廣泛的認可。下面以S13-M.RL-630/10變壓器和S11-M-630/10變壓器為例進行比較，兩種變壓器主要參數(shù)如表2所示［2-3］。

表1 相同參數(shù)下立體卷鐵心與疊片鐵心的質量對比

表2 兩種變壓器主要參數(shù)

表2中變壓器材料單價：S13用硅鋼片為25元/kg，S11用硅鋼片為15元/kg，銅線為56元/kg，油為10元/kg，油箱為9元/kg。

3.1 S13-M.RL-630/10變壓器1年變電成本

1）產(chǎn)品價格估算。

式中：A1、A2、A3、A4分別為硅鋼片、銅線、油箱、變壓器油單價，元/kg；G1、G2、G3、G4分別為硅鋼片、銅線、油箱、變壓器油質量，kg；K1定價系數(shù)，取1.3；K2為主材占全部材料成本百分比，取0.85～0.9。

2）變壓器運行1年的電費。

式中：t0為變壓器全年實際空載小時數(shù)，h；tk為變壓器全年實際負載小時數(shù)，h；K4為無功當量；A為電費，元/kWh；P0為空載損耗，kW；Pk為負載損耗，kW；I0為空載電流，%；uk為阻抗，%；Pn為變壓器容量，kVA。

3）變壓器運行1年的電量損失qp1。

3.2 S11－M－630／10變壓器1年運行成本

1）產(chǎn)品價格估算。

式中：A5、A6、A7、A8分別為硅鋼片、銅線、油箱、變壓器油單價，元／kg；G5、G6、G7、G8分別為硅鋼片、銅線、油箱、變壓器油質量，kg。

2）變壓器運行1年的電費Cp。

3）變壓器運行1年的電量損失qp2。

3.3 兩種變壓器經(jīng)濟性比較

兩種變壓器經(jīng)濟性比較如表3所示。

表3 兩種變壓器經(jīng)濟性比較

由表3可以看出，S13-M.RL-630／10與S11-M -630／10相比較價格高4 170元，1年運行電費節(jié)約3 841元，1年節(jié)約電量2 103 kWh。S13卷鐵心變壓雖然一次投資比S11疊鐵心變壓器高，但不到15個月便可收回差價成本。

4 結語

通過以上的探討和具體的數(shù)據(jù)分析，可以看出S13立體卷鐵心變壓器與疊鐵心變壓器相比較，從技術層面上S13卷鐵芯變壓器具有噪音低、損耗低、重量輕、過載能力強、運行安全可靠的明顯優(yōu)勢，在經(jīng)濟性能方面，S13立體卷鐵心變壓器節(jié)約電量、減少運行費用、明顯提高了用電單位的經(jīng)濟效益。

［1］郭獻清.S13立體卷鐵心變壓器基本特性淺析［J］.變壓器，2012，49（5）：27-37.

［2］GB6451—2008油浸式電力變壓器技術參數(shù)和要求［S］.

［3］JB／T10088—20046 kV～500 kV級電力變壓器聲級［S］.

［4］李湘生，陳喬夫.變壓器的理論計算與優(yōu)化設計［M］.武漢：華中大學出版社，1990.

Technology Study on Series of Three Dimensional Wound Core Transformer S13

The structure characteristics of three dimensional wound core transformer S13 and traditional laminated core transformer S11 are discussed.The no-load loss，no-load current，the ability to withstand short circuit and load capacity are analyzed according to their structural analysis.The economy is also been analyzed.In terms of economic and technical performance，the wound core transformer is superior to the laminated core transformer.S13 three-dimensional wound core transformer has the advantage of low loss，low noise，low cost，energy conservation，environmental protection，etc.

three dimensional wound core；low loss；low noise；energy conservation

TM411

：B

：1007－9904（2014）03－0046－03

2014-05-10

王欽波（1963—），男，高級工程師，長期從事變壓器設計及研發(fā)工作；

祝燕清（1981—），女，助理工程師，從事變壓器設計及研發(fā)工作。