節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器的研制與應(yīng)用

高仕斌， 江俊飛， 周利軍， 王東陽， 李錦平， 吳志強(qiáng)

（1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.常州太平洋電力設(shè)備（集團(tuán)）有限公司 技術(shù)部，江蘇 常州 213033）

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)中能量傳輸和轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，但因受到牽引負(fù)荷特性的影響，牽引變壓器長(zhǎng)期處于空載狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般情況下電氣化鐵路的平均負(fù)載系數(shù)為0.3～0.6，在重載情況下復(fù)線的平均負(fù)載系數(shù)最高只有0.5～0.6，單線的空載運(yùn)行時(shí)間常常高達(dá)40%～50%，這使得空載損耗占牽引變壓器總體損耗的很大一部分［1-3］。隨著國家節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，節(jié)能型變壓器正成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。非晶合金變壓器和常規(guī)卷鐵心變壓器是當(dāng)前發(fā)展前景較好的節(jié)能型變壓器，非晶合金具有高磁導(dǎo)率、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)機(jī)械應(yīng)力較為敏感，且熱穩(wěn)定性能欠佳，較難應(yīng)用在大型鐵心中［4-6］；常規(guī)卷鐵心變壓器在硅鋼片的基礎(chǔ)上，以其先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和在降低空載損耗上表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，是目前節(jié)能型牽引變壓器的首選［7］。

卷鐵心是由若干根一定形狀的硅鋼片帶料連續(xù)卷制而成，充分利用硅鋼片的取向性，且料帶連續(xù)繞制無接縫，整個(gè)磁路中空氣隙較少，卷繞緊密，磁阻小、損耗低。相比疊片式鐵心，其制備工藝較復(fù)雜，但其角重較小，節(jié)約材料，同時(shí)空載損耗以及空載電流能夠得到大幅減?。?-11］。然而，受加工工藝限制，目前卷鐵心變壓器電壓等級(jí)都局限在35 k V級(jí)以下，對(duì)于220 k V級(jí)牽引變壓器，卷鐵心技術(shù)的應(yīng)用尚屬空白。

本文所述變壓器突破了大噸位卷鐵心卷繞、退火、油道設(shè)置難、繞線復(fù)雜等關(guān)鍵技術(shù)，是世界上罕見的220 k V、31 500＋25 000 k VA組合式牽引變壓器。國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的試驗(yàn)表明：該變壓器空載損耗為32.4 k W，比普通變壓器降低45%。目前，該節(jié)能型牽引變壓器已在中南通道王家莊牽引變電所投入運(yùn)用，并通過了國家機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)新產(chǎn)品鑒定，結(jié)論為國際領(lǐng)先。

1 變壓器鐵心、主絕緣設(shè)計(jì)及過負(fù)荷溫升控制

本文研制的牽引變壓器主要技術(shù)參數(shù)如下，表1為該牽引變壓器容量：

（1）結(jié)構(gòu)形式：組合式（2臺(tái)單相變壓器放置于同一油箱中組成三相V／X連接牽引變壓器）；

（2）電壓組合：220 k V／2×27.5 k V。

表1 牽引變壓器容量 MVA

1.1 鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引變壓器由2臺(tái)單相三繞組變壓器構(gòu)成，每相有2個(gè)二次繞組，置于同一油箱中，組成V／X接線方式，該類型牽引變壓器具有供電能力強(qiáng)、投資成本低等顯著優(yōu)勢(shì)［12］。

變壓器運(yùn)行時(shí)鐵心損耗轉(zhuǎn)化為熱量，若鐵心散熱不佳形成局部過熱將導(dǎo)致磁路短路，進(jìn)一步增加鐵心損耗，同時(shí)使變壓器絕緣油性能下降，甚至造成變壓器損毀。因此，大型鐵心需設(shè)置散熱油道防止其局部過熱。牽引變壓器鐵心體積龐大，而目前對(duì)大體積卷鐵心研制經(jīng)驗(yàn)匱乏，其油道的數(shù)量以及設(shè)置方式對(duì)鐵心的影響均需事先進(jìn)行評(píng)估。疊片式牽引變壓器鐵心一般設(shè)置2個(gè)油道，而卷鐵心損耗較疊片式鐵心小，產(chǎn)熱相對(duì)亦少，考慮卷鐵心結(jié)構(gòu)的特殊性及鐵心卷繞的工作量和拼合的難度，只設(shè)置1個(gè)散熱油道，見圖1。

圖1 單框式卷鐵心及繞組結(jié)構(gòu)

圖1（a）為繞組分布結(jié)構(gòu)圖，采用三繞組結(jié)構(gòu)，自鐵心柱向外依次是牽引繞組（T繞組）、饋電繞組（F繞組）、高壓繞組，為雙柱并聯(lián)形式，以提高抗短路能力及絕緣可靠性。圖1（b）為鐵心柱橫截面，中間空白部分為油道，寬為6 mm，鐵心分兩部分卷繞，每一部分鐵心柱截面為半圓，最后拼裝得到柱截面為近似圓形。繞組具體接線見圖2，牽引繞組和饋電繞組的尾端連接在一起形成中性點(diǎn)接于軌道，2臺(tái)單相變壓器連接形成V／X接線。

圖2 V/X接線原理圖

變壓器內(nèi)部溫升對(duì)變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行以及絕緣壽命具有很大影響［13］，本文仿真計(jì)算了卷鐵心在未設(shè)置散熱油道以及設(shè)置1個(gè)散熱油道后的鐵心溫升，其中仿真模型為31.5 M VA單相變壓器，仿真結(jié)果見圖3。

圖3 有油道和無油道時(shí)鐵心內(nèi)部溫度分布

圖3為額定負(fù)荷下未設(shè)置油道與設(shè)置1個(gè)油道時(shí)，達(dá)到溫升平衡后鐵心不同高度處內(nèi)部平均溫度。由圖3可知，熱點(diǎn)溫度位于鐵心上部，即繞組端部位置，符合實(shí)際運(yùn)行情況。未設(shè)置油道時(shí)，鐵心內(nèi)部溫度相對(duì)較高；設(shè)置油道之后，在油道作用下鐵心熱點(diǎn)溫度有顯著的下降，降約21℃。在未設(shè)置油道時(shí)，鐵心溫度偏高，致使?fàn)恳儔浩鞒惺苓^負(fù)荷工況，因此，嚴(yán)格控制鐵心溫升是必要的。設(shè)置1個(gè)油道時(shí)，鐵心內(nèi)部溫升能夠符合安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，既符合經(jīng)濟(jì)性要求又滿足性能需求。

在設(shè)置1個(gè)散熱油道的情況下，對(duì)鐵心空載損耗進(jìn)行了仿真計(jì)算，具體結(jié)果見圖4。其中，因附加損耗考慮因素較多，且占比較小，故仿真計(jì)算過程中忽略了附加損耗。結(jié)果顯示鐵心損耗初期波動(dòng)較為劇烈，后面峰值趨于平穩(wěn)，計(jì)算平穩(wěn)后的鐵心損耗均值大約為15 k W，而同等條件下的疊片式鐵心損耗大約為30 k W，空載損耗下降明顯。

圖4 卷鐵心空載損耗仿真結(jié)果

通過對(duì)單相結(jié)構(gòu)卷鐵心的溫升及空載損耗仿真計(jì)算，可以預(yù)見采用單框式帶1個(gè)油道的鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在性能達(dá)標(biāo)的同時(shí)，保證了經(jīng)濟(jì)性要求。

1.2 電場(chǎng)計(jì)算及主絕緣設(shè)計(jì)

與普通電力變壓器相比，V／X接線牽引變壓器每一柱上有3個(gè)繞組，為控制變壓器體積，繞組絕緣距離要合理控制。本牽引變壓器以“電場(chǎng)強(qiáng)度”為絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心，仿真計(jì)算了雷電全波沖擊下高壓線圈各點(diǎn)對(duì)地電位分布，并與感應(yīng)試驗(yàn)和局部試驗(yàn)時(shí)實(shí)際耐受場(chǎng)強(qiáng)比較，以最大場(chǎng)強(qiáng)作為校驗(yàn)線圈間主絕緣，線圈縱絕緣及開關(guān)的主、縱絕緣安全裕度的計(jì)算依據(jù)。

圖5為全波沖擊下高壓線圈各節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓波形圖，其中縱坐標(biāo)單位為電壓標(biāo)幺值。高壓繞組電抗高度為1 215 mm，由計(jì)算結(jié)果可知，29號(hào)節(jié)點(diǎn)處為電壓最大值，最大電位為1.16左右。在此基礎(chǔ)上從兩端起的第1～10餅采用了t0.5 U形墊塊，分接段的中斷點(diǎn)油道為21.6，中斷點(diǎn)上下的2個(gè)分接段亦采用t0.5 U形墊塊。

由于卷鐵心的封閉性導(dǎo)致繞組需要在鐵心上繞制完成，并且繞組分布在2個(gè)心柱上，高壓繞組之間的絕緣距離對(duì)繞組整體分布影響較大，需進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

圖5 全波沖擊下高壓線圈各節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓波形圖

圖6為高壓線圈之間電場(chǎng)分布，可以看到繞組端部位置為局部場(chǎng)強(qiáng)較大點(diǎn)，以繞組端部最大場(chǎng)強(qiáng)為計(jì)算依據(jù)，仿真計(jì)算多組距離下電場(chǎng)強(qiáng)度，得到最終絕緣距離。除此之外內(nèi)部部件的電場(chǎng)分析也必不可少，根據(jù)圖7中結(jié)構(gòu)部件的電場(chǎng)分布，對(duì)均壓球等進(jìn)行了適當(dāng)優(yōu)化，降低局部場(chǎng)強(qiáng)，設(shè)置合理的絕緣距離，保留了足夠的安全裕度。

圖6 高壓線圈之間電場(chǎng)分布

圖7 均壓球?qū)ι咦妶?chǎng)分布

通過雷電波沖擊電壓和電場(chǎng)計(jì)算，對(duì)重要部位絕緣進(jìn)行了加強(qiáng)，采用的主絕緣結(jié)構(gòu)見圖8。其中牽引變壓器短路幾率明顯高于電力變壓器，需通過改善絕緣提高抗短路能力。為此線圈墊塊經(jīng)過預(yù)密化處理，撐條使用定位件，且經(jīng)過倒角處理，同時(shí)低壓繞組采用屈服強(qiáng)度≥180 MPa的高強(qiáng)度半硬自黏性換位導(dǎo)線取代傳統(tǒng)銅扁線，在降低渦流損耗的同時(shí)，提高了抗突發(fā)短路的能力。與傳統(tǒng)疊片式鐵心相比，卷鐵心對(duì)主絕緣結(jié)構(gòu)的影響不大，但是考慮到卷鐵心的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，絕緣件均需拼裝，因此采用大量的成型絕緣件，對(duì)制作工藝提出了更高的要求。

1.3 過負(fù)荷溫升控制

牽引變壓器的負(fù)荷變動(dòng)劇烈，為了安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求繞組熱點(diǎn)溫度在任何情況下都不超過140℃。而牽引變壓器常常處于過負(fù)荷狀態(tài)，本方案變壓器采用油流導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，尤其卷鐵心與疊片式鐵心油道差異較大，導(dǎo)致油道內(nèi)側(cè)的紙板固定方式不同，且繞組在鐵心上進(jìn)行繞制，餅間油道較疊片式鐵心進(jìn)行了適當(dāng)放大，為確保方案的可行，需對(duì)過負(fù)荷下繞組及變壓器油溫升做進(jìn)一步分析。本方案通過編制程序?qū)?0%負(fù)荷升至200%負(fù)荷，再升至300%負(fù)荷情況下各階段牽引變壓器內(nèi)部溫升進(jìn)行了計(jì)算，得到了每個(gè)階段頂層油溫以及繞組熱點(diǎn)溫度。其中，計(jì)算過程經(jīng)過反復(fù)推演，以相鄰2個(gè)周期繞組溫度、油溫變化規(guī)律一致為計(jì)算終點(diǎn)，得到最終的頂層油溫和繞組熱點(diǎn)溫度，計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖8 主絕緣結(jié)構(gòu)

圖9 過負(fù)荷溫升計(jì)算結(jié)果

由圖9可知，在三倍負(fù)荷下繞組熱點(diǎn)溫度為130℃左右，頂層油溫為90℃左右。結(jié)合以往變壓器產(chǎn)品的實(shí)測(cè)溫升與理論計(jì)算的差值規(guī)律，安全運(yùn)行下繞組熱點(diǎn)溫度不超過140℃，頂層油溫不超過105℃，計(jì)算結(jié)果表明過負(fù)荷下該溫升控制方案滿足要求。

2 樣機(jī)研制及其關(guān)鍵技術(shù)

卷鐵心牽引變壓器制造過程主要由鐵心卷繞、鐵心拼裝、鐵心退火、繞組繞制、器身絕緣以及部件裝配等工序組成，具體工藝流程見圖10。

樣機(jī)研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)就是大型卷鐵心的成型以及大型立式繞組卷繞技術(shù)，其中包括配套鐵心卷繞機(jī)、立式繞線機(jī)等設(shè)備的研制與開發(fā)，這同時(shí)也填補(bǔ)了國內(nèi)外高電壓、大容量卷鐵心變壓器制造技術(shù)的空白，為日后大容量卷鐵心變壓器的量產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

圖10 卷鐵心牽引變壓器制備流程

由上述鐵心設(shè)計(jì)可知，該變壓器鐵心由2片組成，卷繞出來的單片鐵心柱截面為近似半圓，2片拼合得到的截面近似為圓，圖11為1片鐵心卷繞后的效果。鐵心拼裝前需要先進(jìn)行退火，這是影響卷鐵心節(jié)能效果的關(guān)鍵性步驟，本方案在原有退火工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，增加了保溫時(shí)間以保證退火充分。退火后將2片鐵心拼合，安裝鐵心拉板及支撐木件，并捆扎為一體，即是1個(gè)完整的鐵心，見圖12。

圖11 鐵心卷繞

圖12 鐵心拼裝

圖13為卷鐵心線圈繞制現(xiàn)場(chǎng)圖，首先需在成型后的鐵心上設(shè)置硬紙筒形成骨架，然后依次繞制牽引繞組、饋電繞組、高壓繞組［14］。由于該繞組體積和質(zhì)量較大導(dǎo)致無法進(jìn)行臥式繞制，需進(jìn)行立式繞制，普通的卷鐵心繞線機(jī)無法滿足。圖14為協(xié)同研制的立式繞線機(jī)，其最大繞制線圈直徑可達(dá)1 500 mm，是目前唯一一臺(tái)可以進(jìn)行閉環(huán)立式繞制餅式線圈的繞線機(jī)，是解決高電壓、大容量卷鐵心變壓器線圈繞制的關(guān)鍵設(shè)備。該繞線機(jī)采用上下雙叉臂支承傳動(dòng)齒圈的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒圈和上下托板可拆卸，線圈繞制時(shí)5片內(nèi)撐板形成立式“鼠籠”結(jié)構(gòu)，作為線圈繞制時(shí)的整體轉(zhuǎn)動(dòng)骨架，上下設(shè)置“凹、凸”槽，槽之間相互嚙合，確保動(dòng)力的平順傳輸，并在線圈繞制結(jié)束后快捷地抽出內(nèi)撐板。線圈繞制完后，進(jìn)行第一次線圈組烘燥，并調(diào)整線圈高度與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)吻合，這是保證線圈電動(dòng)力控制在設(shè)計(jì)安全裕度內(nèi)的重要環(huán)節(jié)。

鐵心與繞組裝配完以后，進(jìn)行開關(guān)、引線的連接，引線連接均采用冷壓端子結(jié)構(gòu)，接觸電阻小，連接可靠強(qiáng)度高。然后對(duì)變壓器身進(jìn)行二次氣相干燥，排除絕緣件內(nèi)部水分，保證變壓器的絕緣性能。最后，內(nèi)部器身裝配完成之后，進(jìn)行落罩以及外部套管及絕緣的裝配。

圖13 線圈繞制

圖14 立式繞線機(jī)

3 試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行與節(jié)能效果分析

樣機(jī)在國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)、特殊試驗(yàn)，在中南通道王家莊牽引變電所投入運(yùn)用。表2為部分試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)量數(shù)據(jù)值。

由表2可知，試驗(yàn)中測(cè)量得到2臺(tái)單相變壓器空載電流值遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中給出的規(guī)定值0.3%，空載損耗32.34 k W，較規(guī)定空載損耗少21.1%，其中傳統(tǒng)疊片式鐵心變壓器空載損耗為58 k W，空載損耗下降44.2%。其中31.5 MVA 單相變壓器空載損耗為17.71 k W，與前面仿真試驗(yàn)結(jié)果接近，符合預(yù)期估計(jì)。試驗(yàn)測(cè)得變壓器正常運(yùn)行聲級(jí)47 dB，較規(guī)定值少24.2%，與傳統(tǒng)疊鐵心68 d B相比下降30.9%。突發(fā)短路電抗變化率偏差小于0.1%，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求，頂層油溫升以及繞組溫升均低于規(guī)定限值。試驗(yàn)結(jié)果表明在符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)［15］的前提下，樣機(jī)達(dá)到了較好的節(jié)能降噪效果。

表2 部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過對(duì)該節(jié)能型牽引變壓器試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以初步確定該變壓器節(jié)能效果顯著，與傳統(tǒng)疊片式鐵心牽引變壓器相比，空載損耗下降44.2%，噪聲值下降30.9%，突發(fā)短路繞組電抗變化率小于0.1%，平均溫升小于31.4 K，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。

同時(shí)本次研制過程中取得的技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)積累，不僅僅只是應(yīng)用在牽引供電系統(tǒng)變壓器的制造中，完全可以應(yīng)用于整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)80 MVA／220 k V及以下電力變壓器的制造中，對(duì)500 k V級(jí)的有特殊要求的電力變壓器制造也具有實(shí)質(zhì)性的借鑒意義。

［1］張子學(xué).電氣化鐵路站用牽引變壓器損耗比問題［J］.變壓器，1994，31（4）：32-34.

ZHANG Zixue.Loss Ratio of Traction Transformer for E-lectrified Railway Station［J］.Transformer，1994，31（4）：32-34.

［2］郭滿生，張喜樂，簡(jiǎn)述牽引變壓器的壽命［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2004，26（3）：114-118.

GUO Mansheng，ZH ANG Xile.The Sketch of Traction Transformer Life［J］.Journal of the China Railway Society，2004，26（3）：114-118.

［3］JASMIN S，GIORGIO D P，CHRISTOPH S，et al.Numerical Study of the Core Saturation Influence on the Winding Losses of Traction Transformers［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2015，51（3）：1-4.

［4］王金麗，盛萬興，向馳.非晶合金配電變壓器的應(yīng)用及其節(jié)能分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（18）：25-29.

WANG Jinli，SHENG Wanxing，XIANG Chi.Application and Energy-saving Analysis of Distribution Transformer with Amorphous Core［J］.Power System Technology，2008，32（18）：25-29.

［5］TAKAHASHI K，AZUMA D，H ASEGAWA R.Acoustic and Soft Magnetic Properties in Amorphous Alloy-based Distribution Transformer Cores［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2013，49（7）：4001-4004.

［6］ZH ANG Yu，LIU Jinliang，F(xiàn)ENG Jiahuai.Saturation and Short Pulse Response Characteristics of the Fe-based A-morphous Core with a Small Air Gap［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2012，40（1）：90-97.

［7］鄧云川.節(jié)能變壓器技術(shù)及其在電氣化鐵路中的應(yīng)用分析［J］.高速鐵路技術(shù)，2015，6（1）：14-18.

DENG Yunchuan.Application and Analysis of Energy Saving Technology for Transformer in Electrified Railway［J］.High Speed Railway Technology，2015，6（1）：14-18.

［8］姚磊，姚志松.節(jié)能變壓器結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)［J］.中國電力，2007，40（9）：49-53.

YAO Lei，YAO Zhisong.Structure and Characteristics of Energy Saving Transformer［J］.China Electric Power，2007，40（9）：49-53.

［9］周書琴，張明德，雷大春.立體卷鐵心變壓器與傳統(tǒng)疊鐵心變壓器比較［J］.變壓器，2006，43（3）：6-9.

ZHOU Shuqin，ZHANG Mingde，LEI Dachun.Comparison of Three Dimensional Wound Core Transformer to Traditional Laminated Core One［J］.Transformer，2006，43（3）：6-9.

［10］LIAO Caibo，RUAN Jiangjun，LIU Chao，et al.3-D Couple Delectromagnetic-fluid-thermal Analysis of Oil-immersed Triangular Wound Core Transformer［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2014，50（11）：1-4.

［11］趙靜月.變壓器制造工藝［M］.北京：中國電力出版社，2009：213-215.

［12］張亞杰，龔永綱，李靜.電氣化鐵路V／X接線牽引變壓器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.變壓器，2012，49（3）：1-4.

ZH ANG Yajie，GONG Yonggang，Li Jing.Design Characteristics of V／X Connection Traction Transformer of E-lectrification Railway［J］.Transformer，2012，49（3）：1-4.

［13］韋國，閔英杰，周利軍，等.V／X接線牽引變壓器的溫升特性［J］.中國鐵道科學(xué)，2011，32（3）：80-85.

WEI Guo，MIN Yingjie，ZHOU Lijun，et al.Temperature Rise Characteristics of V／X Wiring Traction Transformer［J］.China Railway Science，2011，32（3）：80-85.

［14］楊兆慶.淺談卷鐵心變壓器繞組制造工藝的改進(jìn)［J］.變壓器，2004，41（9）：38-40.

YANG Zhaoqin.Brief Discussion on the Improvement of Transformer Winding Manufacturing Technology［J］.Transformer，2004，41（9）：38-40.

［15］中華人民共和國鐵道部.TB／T 3159—2007電氣化鐵路牽引變壓器技術(shù)條件［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.