節(jié)能型卷鐵芯自耦變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

郭 蘭，李曉新

節(jié)能型卷鐵芯自耦變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

郭 蘭，李曉新

介紹了用于電氣化鐵路AT供電方式的節(jié)能型卷鐵芯自耦變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了其與疊積式鐵芯自耦變壓器的不同及優(yōu)勢，并闡述了在變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝流程中的關(guān)鍵問題。

節(jié)能型卷鐵芯；線圈繞制；器身結(jié)構(gòu)；工藝流程

0 引言

自耦變壓器作為電氣化鐵路AT供電的主要能耗設(shè)備，使用數(shù)量較多，降低自耦變壓器的空載損耗將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。降低空載損耗有下列幾種方案：一是降低鐵芯的磁通密度，對應(yīng)的硅鋼片單位鐵損降低，使得空載損耗降低，該方案會(huì)造成變壓器制造原材料消耗大幅增加；二是采用高標(biāo)號硅鋼片，但受硅鋼片本身性能限制，空載損耗降低幅度不大；三是采用鐵芯面積利用率高、空載工藝系數(shù)低的卷鐵芯代替疊積鐵芯。

筆者團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了型號為OD-RM-12600/55的節(jié)能型卷鐵芯自耦變壓器，達(dá)到了降低變壓器空載損耗的目的。

1 卷鐵芯與疊積式鐵芯比較

疊積式鐵芯（圖1）是將已縱向剪切成一定寬度的硅鋼帶，橫剪成一定形狀和尺寸的硅鋼片疊積起來組成變壓器鐵芯。為了充分發(fā)揮晶粒取向的硅鋼片的優(yōu)良性能，目前鐵芯均采用全斜接縫結(jié)構(gòu)，使磁通在鐵芯內(nèi)的流通方向與硅鋼片的晶粒取向一致。鐵芯在疊積時(shí)，每一層都存在斜接縫，鐵芯必須交錯(cuò)疊積才能組成一個(gè)整體。在鐵芯接縫處，鐵芯磁通穿越相鄰硅鋼片形成閉合磁路，但接縫處產(chǎn)生的磁通發(fā)生畸變，使局部的鐵芯損耗增大。

圖1 疊積式鐵芯

卷鐵芯（圖2）是由若干一定形狀的硅鋼帶連續(xù)卷繞而成，整個(gè)磁路中無空氣隙。硅鋼帶的高導(dǎo)磁方向一致，磁阻小、損耗低。另外，卷鐵芯因整體性好，可以卷繞完成后進(jìn)行退火。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用同牌號、同規(guī)格的材料制成的鐵芯，退火后比不退火的空載損耗低5%～10%，空載電流低15～30%。

疊積式鐵芯采用多級片寬硅鋼片疊積成階梯型（圖3），其截面的理論填充系數(shù)一般為0.9左右，級數(shù)增大雖然可以增大填充系數(shù)，但制造工藝上會(huì)增加更多麻煩。另外，片與片之間疊積時(shí)不可能達(dá)到完全緊密，致使疊積式鐵芯還存在一個(gè)疊片系數(shù)，一般疊片系數(shù)范圍為0.95～0.97。質(zhì)量越好的硅鋼片，厚度也越小，疊片系數(shù)也越小。圖3中陰影部分為芯柱浪費(fèi)的鐵芯面積。

圖2 卷鐵芯

圖3 疊積鐵芯剖面圖

圓截面卷鐵芯為制造卷繞不切割型，鐵芯由寬窄變化的硅鋼片長帶卷繞而成，芯柱截面接近圓形，填充系數(shù)可達(dá)0.95～0.98，比疊積式鐵芯截面的填充系數(shù)大0.05～0.08。因此，在截面積相同的情況下，卷鐵芯芯柱外接圓直徑比疊積式鐵芯外接圓直徑小2～3%，從而減少了線包導(dǎo)線的平均匝長，節(jié)省銅材約2～3%，降低了負(fù)載損耗。

由于疊積式鐵芯的硅鋼片之間不夠緊密，工作時(shí)在電磁力作用下產(chǎn)生振動(dòng)，噪聲較大；卷鐵芯的硅鋼帶之間較緊密，工作時(shí)振動(dòng)小，噪聲低，卷鐵芯噪聲比疊積式鐵芯噪聲低7～10 dB。

綜上所述，卷鐵芯在鐵芯制造工藝上和鐵芯柱截面利用率上都優(yōu)于疊積式鐵芯，可以大幅降低空載損耗。

2 卷鐵芯自耦變壓器主要技術(shù)參數(shù)

產(chǎn)品型號：OD-RM-12600/55；

空載損耗：3.6 kW；

負(fù)載損耗：24.5 kW；

阻抗：0.45Ω。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)前，需根據(jù)變壓器技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行工況、絕緣水平、產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境等對變壓器進(jìn)行電磁計(jì)算。根據(jù)電磁計(jì)算結(jié)果以及卷鐵芯自身特點(diǎn)進(jìn)行變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過對比發(fā)現(xiàn)，疊積式鐵芯疊積完成后，將上鐵軛拆除后套裝鐵軛絕緣和線圈；卷鐵芯用撐條將內(nèi)線圈和鐵芯柱撐緊，再插裝上鐵軛，完成器身裝配。這就要求改變傳統(tǒng)自耦變壓器器身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

（1）線圈選擇。疊積式鐵芯自耦變壓器繞組常用圓筒式線圈和螺旋式線圈，其中圓筒式線圈繞線方式更為簡單，換位點(diǎn)少，抗短路能力遠(yuǎn)勝于具有多個(gè)換位點(diǎn)的螺旋式線圈；從工藝方面考慮，圓筒式線圈可在低壓線圈上連續(xù)繞制至高壓線圈，高低壓線圈允許一起烘干壓裝。因此，確定卷鐵芯自耦變壓器繞組形式為圓筒式線圈形式。

（2）鐵芯框架結(jié)構(gòu)。鐵芯裝配采用“撐板-上夾件-拉螺桿-下夾件-墊腳”框架結(jié)構(gòu)（圖4），側(cè)邊輔助旁螺桿。下夾件焊有支板，支撐整個(gè)器身，上夾件焊接壓釘座，為器身提供壓緊裝置，整體框架對鐵芯受力均勻。

圖4 鐵芯結(jié)構(gòu)

拉螺桿共6根，布置于線圈的外側(cè)，分別放于高低壓側(cè)相間和夾件兩端部。拉螺桿與繞組在垂直高度方向上平行。拉螺桿與整個(gè)鐵芯框架及油箱同電位，繞組對拉螺桿相當(dāng)于對地關(guān)系，因此繞組與拉螺桿之間必須保證足夠的距離（根據(jù)表1選擇）。

表1 繞組與拉螺桿之間距離選用表

卷鐵芯橫截面為圓形，鐵芯圓弧面對整體裝配穩(wěn)定性有一定影響，因此輔助絕緣件如夾件絕緣、軛螺桿墊塊、墊腳墊塊、撐板墊塊等也由臺階形狀改為圓弧形狀（圖5），以增強(qiáng)穩(wěn)定性，減少噪音。

圖5 絕緣件（墊腳墊塊）

（3）器身絕緣結(jié)構(gòu)。卷鐵芯為一個(gè)整體，沒有開口，繞組直接繞制在鐵芯上，器身絕緣上的所有絕緣件不能采用從上到下的套裝方式，而必須繞制或采用開口形式。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中取消上下鐵軛絕緣及上壓板的封閉式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為兩半形狀，接口處設(shè)計(jì)補(bǔ)板，對接完成后，通過補(bǔ)板進(jìn)行粘合或螺栓擰緊，形成一個(gè)整體。

器身壓裝采用上夾件焊接的壓釘座裝配壓釘，在夾件通過拉螺桿及撐板定位后，對整個(gè)器身進(jìn)行壓緊，保證變壓器的抗短路能力（圖6）。因相間位置磁場會(huì)發(fā)生畸變，使得相間對應(yīng)位置的繞組更容易遭到短路破壞，因此在相間位置增加一個(gè)壓釘，以增強(qiáng)繞組在此位置的壓緊力。

（4）油箱的設(shè)計(jì)與疊積式鐵芯自耦變壓器油箱設(shè)計(jì)類似，不再敘述。

圖6 器身結(jié)構(gòu)

4 產(chǎn)品制造

經(jīng)上述分析可以看出，卷鐵芯變壓器的線圈繞制需要特殊的繞線機(jī)才能完成，需引進(jìn)專門的卷鐵芯線圈繞制工裝。把卷制合格的鐵芯固定在專用的繞線機(jī)上，并在鐵芯上繞一層緊縮帶，然后將兩半齒輪安裝在鐵芯柱上，并保證兩端齒輪間距符合繞組軸向尺寸要求。

扁銅線的繞制按設(shè)計(jì)要求包好出頭絕緣（注意線圈繞向），將線圈首頭固定在齒輪上。低壓線圈繞完后，應(yīng)測量線圈外徑，確認(rèn)是否符合要求。然后，按圖紙要求放置層間油道絕緣，按同樣方法繼續(xù)繞制下一層線圈。A柱（相）線圈繞好后，上移鐵芯，依次繞制B柱。

整臺線圈繞好后，抽出首頭和末頭，放進(jìn)端部絕緣并壓緊。放置上下鐵軛絕緣，將線圈出頭從上下鐵軛絕緣處伸出固定好，將絕緣件粘合成整體。

在裝配平臺上放好單側(cè)上、下夾件，測算好上下夾件距離，用單側(cè)拉螺桿暫時(shí)固定。鋪好夾件絕緣，用專用吊具把器身平放到裝配平臺上，放置另一側(cè)夾件絕緣及夾件等。

借助吊具和翻轉(zhuǎn)臺將鐵芯立起，將整體器身吊離翻轉(zhuǎn)臺，放置好，通過壓釘壓緊線圈軸向。

鐵芯起立壓緊后進(jìn)行連接，之后的工藝與傳統(tǒng)自耦變壓器工藝要求相同。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

OD-RM-12600/55節(jié)能型卷鐵芯自耦變壓器通過了國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心沈陽變壓器研究院有限公司變壓器實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)的驗(yàn)證。

表1與表2為同容量不同鐵芯形式的自耦變壓器經(jīng)過整體試驗(yàn)后的主要參數(shù)結(jié)果。通過比較可以看出，節(jié)能型卷鐵芯自耦變壓器與疊鐵芯自耦變壓器相比，空載損耗降低了約40%，負(fù)載損耗降低了約10%，有效地減少了電能消耗。

表2 疊鐵芯變壓器OD-M-12600/55整體試驗(yàn)性能參數(shù)

表3 卷鐵芯變壓器OD-RM-12600/55整體試驗(yàn)性能參數(shù)

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

表4是對疊積式鐵芯自耦變壓器和卷鐵芯自耦變壓器進(jìn)行10年變電成本計(jì)算得出的對比表。

表4 經(jīng)濟(jì)成本對比表 元

由表可見，雖然卷鐵芯自耦變壓器一次性投資較高，但變壓器10年變電成本明顯偏低，具有節(jié)能優(yōu)勢。

7 結(jié)語

OD-RM-12600/55節(jié)能型卷鐵芯自耦變壓器目前已在侯馬供電段南同蒲線辛置AT所投入運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好。該卷鐵芯自耦變壓器是在疊鐵芯自耦變壓器的基礎(chǔ)上，結(jié)合卷鐵芯變壓器的制作特點(diǎn)研發(fā)而成，具有損耗低、噪音小、抗短路能力強(qiáng)等優(yōu)勢，在大力倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)的今天值得推廣。

[1]TB/T 2888-2010電氣化鐵路自耦變壓器.[S].2010.

[2]GB 1094.1-2013電力變壓器 第1部分：總則[S].

[3]電力變壓器手冊編寫組.電力變壓器手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

The paper introduces the structural design of energy saving type roll core autotransformer for electrified railway under AT power supply mode,analyzes its differences and advantages compared with laminated iron core autotransformer,and illustrates the key issues in flow of process for structural design and manufacturing of transformers.

Energy saving type roll core;winding of coil;structure of transformer body;flow of process

U224.2+2

B

1007-936X(2017)06-0080-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.021

郭 蘭.中鐵電氣工業(yè)有限公司保定鐵道變壓器分公司，工程師；

李曉新.中鐵電氣工業(yè)有限公司保定鐵道變壓器分公司，高級工程師。

2016-12-23