基于卷鐵芯變壓器技術(shù)在軌道交通供電方面優(yōu)勢(shì)的討論

王瑞清

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)院分公司，天津300250）

敞開(kāi)式立體卷鐵芯干式變壓器區(qū)別于傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器，采用阻燃型絕緣系統(tǒng)及VPI 真空壓力浸漆工藝，結(jié)合立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)，采用立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的鐵芯結(jié)構(gòu)，立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)更加合理，優(yōu)勢(shì)明顯：抗短路能力更強(qiáng)、空載損耗及空載電流更低、電場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度低、噪音大幅度降低、三相平衡，主要性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)別于環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器，立體卷鐵芯繞組采用NOMEXR+絕緣漆的絕緣系統(tǒng)，具有阻燃、耐沖擊能力強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

因其軌道交通運(yùn)行情況的特殊性，對(duì)牽引變壓器的耐負(fù)荷沖擊能力及過(guò)載能力提出新的挑戰(zhàn)。同時(shí)隨著國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展及軌道交通安全可靠運(yùn)行要求的提高，對(duì)變壓器產(chǎn)品防火、防爆等安全方面的要求也進(jìn)一步提高。

傳統(tǒng)的疊鐵芯變壓器采用環(huán)氧樹(shù)脂絕緣，環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度，廣泛的應(yīng)用于各種干式變壓器。但與此同時(shí)，固化后的環(huán)氧樹(shù)脂硬度大、韌性差，在軌道交通負(fù)荷頻繁改變、短時(shí)沖擊大的特殊工況下，存在開(kāi)裂的隱患，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中也曾出現(xiàn)過(guò)。另外，由于市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)的原因，目前環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量存在參差不齊的情況，多為環(huán)保不達(dá)標(biāo)且不阻燃的樹(shù)脂，從而影響變壓器整體的可靠性、阻燃性及環(huán)保特性。

從各個(gè)方面可以看出，作為軌道交通供電系統(tǒng)中重要組成設(shè)備，城市軌道交通領(lǐng)域?qū)恳髯儔浩髟诎踩煽?、?jié)材、節(jié)能、環(huán)保等方面提出了更高的要求。（1）安全可靠方面：要求結(jié)構(gòu)合理、散熱良好、過(guò)載能力強(qiáng)、抗短路能力強(qiáng)、阻燃等級(jí)高。（2）節(jié)材方面：在保證基本功能和安全可靠的前提下，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過(guò)程中盡量減少原材料的使用。（3）節(jié)能方面：在整個(gè)運(yùn)行周期中相對(duì)目前變壓器能耗需大幅降低。（4）環(huán)保方面：在整個(gè)運(yùn)行周期中噪音低、電磁輻射小，壽命終期，主要部件可回收再利用，不可回收的材料處理方式應(yīng)遵循盡量不危害環(huán)境的原則。目前，國(guó)內(nèi)軌道交通中使用的變壓器主要為疊鐵芯結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂澆注干式變壓器。這種變壓器多數(shù)采用硅鋼材料的疊鐵芯結(jié)構(gòu)。疊鐵芯結(jié)構(gòu)由硅鋼片疊積而成，硅鋼片對(duì)接處形成氣隙，氣隙的磁阻很高，空載時(shí)的損耗和空載電流大增，噪音也比較大。硅鋼片經(jīng)過(guò)剪切、疊裝過(guò)程后會(huì)影響磁疇的排列，同時(shí)導(dǎo)致空載損耗上升。套裝式線(xiàn)圈套裝時(shí)需保留包裝間隙，而該縫隙的存在會(huì)使線(xiàn)圈的抗短路能力下降。運(yùn)行過(guò)程中空載電流大，造成網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)降低，無(wú)功補(bǔ)償投入增加。另有小部分采用非晶合金材料的平面卷鐵芯結(jié)構(gòu)，非晶合金鐵芯的優(yōu)點(diǎn)是空載損耗低，缺點(diǎn)是抗短路能力差、噪音高。環(huán)氧樹(shù)脂澆注干式變壓器的線(xiàn)圈為環(huán)氧樹(shù)脂澆注而成。這種結(jié)構(gòu)的線(xiàn)圈存在如下缺點(diǎn)：a.用環(huán)氧樹(shù)脂作為主要絕緣材料，難以降解。線(xiàn)圈回收需將樹(shù)脂剖開(kāi)，造成極大粉塵污染，且人工較高，不符合環(huán)?？稍偕?。b.燃燒時(shí)產(chǎn)生大量有毒氣體和濃煙。c.線(xiàn)圈被樹(shù)脂包封，維修需將整個(gè)線(xiàn)圈剖開(kāi)報(bào)廢，再重新繞制。另外，目前應(yīng)用于軌道交通的變壓器損耗水平基本較低，運(yùn)行過(guò)程中能耗大。相對(duì)于傳統(tǒng)的疊鐵芯干式變壓器，敞開(kāi)式立體卷鐵芯干式變壓器性能方面具有其特殊優(yōu)勢(shì)：

空載損耗：

1 損耗低

p0空載損耗;k0工藝系數(shù);G 鐵芯重量;Pt鐵芯材料的單位損耗；經(jīng)過(guò)計(jì)算空載損耗平均可下降25%以上。

1.2 由于特殊的三維立體結(jié)構(gòu)，使鐵芯的鐵軛部分用材量比傳統(tǒng)疊片鐵芯減少25%，且減少的角重占鐵芯總重約6%。

1.3 空載電流低

立體卷鐵芯卷鐵芯經(jīng)高溫、退火處理，不僅消除了鐵芯的機(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，完全恢復(fù)硅鋼磁性能。三相磁路無(wú)接縫，磁力線(xiàn)與鐵芯材料及磁化方向完全一致?？蛰d電流平均下降70%以上。

1.4 負(fù)載損耗下降

立體卷鐵芯截面填充系數(shù)高，有效面積相同情況下，立體卷鐵芯芯柱直徑小，從而減少線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度，節(jié)約繞組線(xiàn)材。同時(shí)也可以降低負(fù)載損耗。負(fù)載損耗下降5%以上。

2 噪聲低

由于卷鐵芯是將硅鋼片條料在專(zhuān)用的鐵芯卷繞機(jī)上不間斷、緊密連續(xù)卷制而成，沒(méi)有接縫，不會(huì)產(chǎn)生如疊片式鐵芯那樣因磁路不連續(xù)而發(fā)出的噪聲。同時(shí)，三相磁路、磁通完全對(duì)稱(chēng)，工作磁密設(shè)計(jì)合理，因而產(chǎn)品噪聲大大降低。

3 周邊電場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度?。ㄝ椛湫。?/h2>

立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)可大大降低變壓器周?chē)碾s散磁場(chǎng)?？臻g漏磁小，僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變壓器的一半，減少電磁輻射。

4 過(guò)載能力強(qiáng)

立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)自身的發(fā)熱量降低，卷鐵芯變壓器其空載損耗、空載電流都非常小，產(chǎn)品本身發(fā)熱量就很低。

5 結(jié)構(gòu)緊湊，占地小

立體鐵芯使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，器身平面占地面積比傳統(tǒng)產(chǎn)品減少10～15%，器身高度降低10～20%，若安裝在箱式變電站中可縮小箱變體積近1/4。

6 磁路優(yōu)化

6.1 卷鐵芯層間沒(méi)有接縫，磁路各處分布均勻，沒(méi)有明顯的高阻區(qū)，沒(méi)有接縫處磁通密度的畸變現(xiàn)象。

6.2 三相磁路長(zhǎng)度相等，三相磁路長(zhǎng)度之和最短。

6.3 三相磁路對(duì)稱(chēng)，三相空載電流平衡。

7 鐵芯散熱優(yōu)勢(shì)

通過(guò)在立體卷鐵芯內(nèi)設(shè)置的散熱通道，以循環(huán)的絕緣油或者冷卻氣體為立體卷鐵芯降溫。由于散熱通道設(shè)置在鐵芯柱的結(jié)合與卷鐵芯元件的其中兩層導(dǎo)磁帶之間，散熱通道與立體卷鐵芯的接觸面積大，并且散熱通道截面大，通過(guò)的絕緣油或者冷卻氣體流量大，能迅速地帶走立體卷鐵芯的熱量；同時(shí)，散熱通道的布置合理、均勻，立體卷鐵芯的散熱均勻，避免了立體卷鐵芯的局部高溫而影響使用壽命。三相線(xiàn)圈呈“品”字形排列，在線(xiàn)圈間形成一條上下貫通的中芯天然氣道-“抽風(fēng)煙囪”，由于上下鐵軛溫差30～40度，產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣對(duì)流，冷空氣從下面往中芯通道補(bǔ)充，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。

8 敞開(kāi)式立體卷鐵芯干式變壓器防塵技術(shù)處理

敞開(kāi)式立體卷鐵芯干式變壓器因線(xiàn)圈絕緣紙裸露在室外，需在線(xiàn)圈外側(cè)加裝防塵筒，以提高其防塵要求。

8.1 通過(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一般軌道交通用變壓器運(yùn)行環(huán)境潮濕，污穢嚴(yán)重，易產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，降低變壓器絕緣強(qiáng)度，不利于變壓器安全可靠運(yùn)行。

8.2 不加防塵筒方案繞組平均溫升設(shè)計(jì)值80K，那么在負(fù)載率50%下，繞組平均溫升僅40K。實(shí)際運(yùn)行中線(xiàn)圈下部的溫度更低，線(xiàn)圈與鐵心下部容易生產(chǎn)凝露現(xiàn)象。加裝防塵筒方案溫升設(shè)計(jì)值有所提高，有利于提高產(chǎn)品安全可靠性。

試驗(yàn)對(duì)比：

從運(yùn)行案例和絕緣數(shù)據(jù)上看，常規(guī)產(chǎn)品的防塵效果卓越，完全滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。鑒于客戶(hù)對(duì)設(shè)備運(yùn)維提出更高要求，在變壓器線(xiàn)圈外部加裝絕緣防塵筒的方案。防塵筒包繞在線(xiàn)圈外部，線(xiàn)圈與防塵筒之間存在空氣間隙。增加防塵筒能保證線(xiàn)圈和污穢物實(shí)現(xiàn)零接觸，耐污穢能力優(yōu)于樹(shù)脂澆注產(chǎn)品，延長(zhǎng)變壓器運(yùn)維周期，減少運(yùn)維工作量。

利用目前的同相供電敞開(kāi)式干變進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，變壓器增加防塵筒后絕緣性能更強(qiáng)，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)滿(mǎn)足要求，但產(chǎn)品溫升有所升高：

??????? ??????????? ???? ????.....??? ..??? ?.????

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，變壓器增加防塵筒后，高壓溫升變化較大，低壓溫升變化不大。針對(duì)試驗(yàn)情況，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行調(diào)整，使得高壓溫升和低壓溫升設(shè)計(jì)值均衡，均為105K。

設(shè)計(jì)壽命：

絕緣系統(tǒng)耐熱等級(jí)為220℃，產(chǎn)品額定溫升低至105K，額定負(fù)載時(shí)平均溫度約為130℃，根據(jù)絕緣壽命計(jì)算公式Log time=7461/(℃+273)-10.4,主絕緣設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)超合同要求100 年。

經(jīng)技術(shù)及模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比立體卷鐵芯結(jié)構(gòu)變壓器空載損耗平均可下降25%以上，空載電流平均下降70%以上，負(fù)載損耗下降5%以上，噪音平均降低10dB以上，泄露電磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度降低50%；原材料使用方面：硅鋼片用量減少25%以上，銅材用量減少5%～8%，可燃物用量減少80%以上。

前些年因技術(shù)不成熟，立體卷鐵芯變壓器在大容量變壓器上不能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，而其特殊的生產(chǎn)工藝不適合工業(yè)化生產(chǎn)，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些技術(shù)難題已經(jīng)被解決。綜合而言，采用敞開(kāi)式立體卷鐵芯干式變壓器結(jié)構(gòu)的牽引整流變壓器更加合適在城市軌道交通領(lǐng)域使用，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更能應(yīng)對(duì)城市軌道交通牽引整流變壓器的運(yùn)行工況，同時(shí)符合軌道交通安全、綠色的發(fā)展理念，將會(huì)是軌道交通牽引整流變壓器的發(fā)展方向。滿(mǎn)足軌道交通運(yùn)行工況的要求。