節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器結(jié)構(gòu)及性能分析

王冬梅　宋慧欣

【摘 要】節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器較普通牽引變壓器有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，文章詳細(xì)介紹了節(jié)能型牽引變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能，并對(duì)其應(yīng)用及發(fā)展前景進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能型；卷鐵心；空載損耗；磁路

0 引言

隨著交流傳動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展，機(jī)車(chē)功率逐步增大，牽引變壓器也呈現(xiàn)大容量化發(fā)展趨勢(shì)。然而，我國(guó)電氣化鐵路牽引負(fù)荷利用率較低，據(jù)鐵道部門(mén)實(shí)際記載，單線(xiàn)電氣化鐵路空載運(yùn)行時(shí)間時(shí)常高達(dá)40%～50%[1]，因而牽引變壓器空載損耗變得越來(lái)越不容忽視，對(duì)牽引變壓器的節(jié)能研究也越發(fā)受到重視。2014年11月底，由西南交通大學(xué)高仕斌教授主持研制的世界上首臺(tái)220kV超低損耗卷鐵心節(jié)能型牽引變壓器研制成功，這對(duì)于鐵路供電系統(tǒng)的節(jié)能減排工作具有重大意義。

1 節(jié)能型牽引變壓器結(jié)構(gòu)

卷鐵心是由若干根一定形狀的硅鋼片連續(xù)卷繞而成，卷繞緊密，整個(gè)磁路中沒(méi)有氣隙，且連續(xù)卷繞充分利用了硅鋼片的取向性，相比于傳統(tǒng)變壓器的疊鐵心結(jié)構(gòu)，空載損耗可以降低20%～35%。文章所提及的節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器為V/X接線(xiàn)方式，由兩臺(tái)單相三繞組變壓器構(gòu)成，下面對(duì)其鐵心和繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

1.1 鐵心材料及結(jié)構(gòu)

變壓器的鐵心一般由硅鋼片組成，硅鋼片按照加工方法不同可以分為冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片，與熱軋硅鋼片相比，冷軋硅鋼片的性能優(yōu)勢(shì)更為明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）磁飽和點(diǎn)較高，在1.89T左右；

（2）在相同磁通密度及相同頻率下，單位損耗小；

（3）硅鋼片的材質(zhì)硬度高；

（4）方向性強(qiáng)，當(dāng)磁力線(xiàn)的方向與硅鋼片的軋制方向一致時(shí)，損耗最??；

所以采用冷軋硅鋼片，既可以滿(mǎn)足對(duì)電阻率的要求，同時(shí)可以降低損耗。

一般的單相卷鐵心可以分為雙框式和單框式兩種結(jié)構(gòu)[2]，本文介紹的卷鐵心變壓器采用單框式結(jié)構(gòu)，其鐵心結(jié)構(gòu)及繞組排列方案如圖1所示。該方案由兩個(gè)單獨(dú)卷繞的半鐵心拼接而成，中間放置油道。對(duì)于高壓繞組，選擇采用兩部分并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)形式，由于高壓線(xiàn)圈并聯(lián)，相間等電位或電位差很小，留夠機(jī)械距離和繞制裕度即可；線(xiàn)圈分布在兩個(gè)柱上，熱源分散，更利于散熱；低壓內(nèi)撐條可靠支撐，抗短路能力強(qiáng)。但線(xiàn)圈繞制工作量大，引線(xiàn)接線(xiàn)較復(fù)雜；鐵心外輪廓表面是球面，絕緣件及墊塊制作困難，必要時(shí)需采取澆注手段。

1.2 繞組排列方案

為使列車(chē)運(yùn)行時(shí)大部分牽引電流沿饋電線(xiàn)而不是沿軌道和地返回牽引變電所，并降低對(duì)鄰近通訊線(xiàn)路的干擾，V/X接線(xiàn)牽引變壓器短路阻抗匹配應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

為滿(mǎn)足式（1），采用交錯(cuò)配置牽引繞制和饋電繞組，做到結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)，如圖2所示方案，圖中F對(duì)應(yīng)饋電繞組，T對(duì)應(yīng)牽引繞組。對(duì)于式（2），容量較大的V/X牽引變壓器比較容易滿(mǎn)足，而對(duì)容量相對(duì)較小的牽引變壓器（如容量在10MVA～16MVA區(qū)間內(nèi)）則不容易滿(mǎn)足，這時(shí)需通過(guò)減小繞組匝數(shù)、增大鐵心直徑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

2 節(jié)能型牽引變壓器性能分析

節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器與普通疊鐵心牽引變壓器相比性能優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）磁路優(yōu)化：

采用卷鐵心技術(shù)，層間無(wú)接縫，磁路分布均勻，無(wú)高阻區(qū)，避免了接縫處磁通密度畸變情況；磁通方向與硅鋼片晶體取向一致，可降低磁阻；三相磁路完全對(duì)稱(chēng)，三相空載電流完全平衡[4]。

（2）損耗低：

在材質(zhì)相同的前提下，卷鐵心與疊鐵心相比，鐵損工藝系數(shù)從1.3～1.5下降到1.05左右，可使鐵心損耗降低10%到20%。

經(jīng)高溫（800℃）真空充氮退火處理，不僅消除了鐵心的機(jī)械應(yīng)力，而且細(xì)化了硅鋼片的磁疇，提高了硅鋼片二次再結(jié)晶能力，使硅鋼片的性能大大優(yōu)于出廠時(shí)的性能。在同等容量情況下，卷鐵心牽引變壓器可降低空載損耗40%以上[5]。

（3）噪音小：

疊鐵心變壓器振動(dòng)產(chǎn)生噪音的主要原因在于：磁路不連續(xù)，漏磁大，工作磁密過(guò)高。而卷鐵心是將硅鋼片條料不間斷、緊密連續(xù)卷制而成，沒(méi)有接縫，不會(huì)產(chǎn)生如疊鐵心那樣因磁路不連續(xù)而發(fā)出的噪音；三相磁路、磁通完全對(duì)稱(chēng)，工作磁密設(shè)計(jì)合理，因而噪音大大降低。

（4）過(guò)載能力強(qiáng)：

卷鐵心牽引變壓器空載損耗、空載電流都非常小，所以本身發(fā)熱量較低，另外由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱源較為分散，利于散熱。

3 應(yīng)用及發(fā)展前景

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)最重要的電能傳送設(shè)備，而牽引變壓器僅在列車(chē)通過(guò)時(shí)短暫工作幾分鐘，平均每天有40～50%的時(shí)間處于空載狀態(tài)，造成的空載能耗不容小覷，這些空載損耗不僅帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更加重了電力系統(tǒng)節(jié)能減排的壓力，節(jié)能型牽引變壓器的研制成功對(duì)于解決此問(wèn)題具有重要作用。根據(jù)我國(guó)鐵路規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年全國(guó)鐵路總運(yùn)營(yíng)里程規(guī)劃目標(biāo)將達(dá)到12萬(wàn)公里以上，其中電化率將達(dá)到60%[6]。截至2013年底，我國(guó)電氣化鐵路總里程約為5.4萬(wàn)公里，若按每50公里一個(gè)20MVA變電所空載損耗下降5kW計(jì)算，每年可節(jié)能4700萬(wàn)千瓦時(shí)。若將卷鐵心技術(shù)推廣到AT牽引變壓器中，則節(jié)能效果將更加顯著。

近年來(lái)，我國(guó)高鐵“走出去”的速度越來(lái)越快，節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器作為高鐵產(chǎn)業(yè)鏈條上的一環(huán)，若能一同走出國(guó)門(mén)，將通過(guò)降低空載能耗大幅降低高鐵運(yùn)營(yíng)成本，這是其他國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)就變壓器產(chǎn)業(yè)本身來(lái)說(shuō)，卷鐵心牽引變壓器的研制成功對(duì)于提升中國(guó)變壓器產(chǎn)品水平，促進(jìn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電氣化設(shè)備出口具有積極意義。

4 總結(jié)

節(jié)能型卷鐵心變壓器因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與普通牽引變壓器相比具有空載損耗低、抗突發(fā)短路能力強(qiáng)、噪音低等綜合優(yōu)點(diǎn)。雖然目前的卷鐵心技術(shù)普遍多用于農(nóng)網(wǎng)、城網(wǎng)以及廠用配電變壓器，但隨著卷鐵心技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在未來(lái)的高鐵建設(shè)中，節(jié)能型卷鐵心變壓器將發(fā)揮重要作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張子學(xué).電氣化鐵路站用牽引變壓器損耗比問(wèn)題[J].變壓器，1994（4）：32-34.

[2]董智慧.電氣化鐵路節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器建模與仿真[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[3]盛劍霓.工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1991，7-29.

[4]ReasonJ. Communications Alternatives For Distribution Automation[J]. Electrical World， 1993（4）：45-49.

[5]章文斌.關(guān)于S11型變壓器卷鐵心退火的工藝的探討[J].科教導(dǎo)刊，2009.

[6]鐵道部.中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2008年調(diào)整）[DB/OL]. [2010-09-07].

[責(zé)任編輯：湯靜]