110 kV 開口卷鐵心節(jié)能型牽引變壓器空載性能分析

馬洪亮，王永順

0 引言

近年來，隨著社會的快速發(fā)展，能源問題愈顯突出，“節(jié)能降耗”已成為當今社會發(fā)展的主題之一，國家針對這一主題對機電行業(yè)提出了新的要求。牽引變壓器作為電氣化鐵路的關(guān)鍵設備，其負荷率較低，降低牽引變壓器空載損耗對電氣化鐵路的整體節(jié)能運行具有重要作用。

目前，牽引變壓器鐵心結(jié)構(gòu)普遍采用普通疊積方式，節(jié)能效果不理想。針對該問題，國內(nèi)某科研機構(gòu)開展了卷鐵心牽引變壓器的研制，并取得了較好的成果。然而，由于卷鐵心的一體性，其繞組均需在鐵心上繞制，生產(chǎn)率較低，同時也對變壓器的生產(chǎn)工藝、工裝均提出了更高的要求。本文提出采用開口卷鐵心方案，并對110 kV 開口卷鐵心節(jié)能型牽引變壓器進行空載性能研究。

1 變壓器空載損耗技術(shù)分析

變壓器正常工作時，由交變磁通引起的空載損耗主要包含渦流損耗、磁滯損耗和附加損耗。

（1）渦流損耗。當穿過變壓器鐵心的磁通變化時，根據(jù)法拉第電磁感應原理，在鐵心內(nèi)部將產(chǎn)生感生電動勢，而鐵心本身又是電的良導體，從而在鐵心中將產(chǎn)生感應電流（即渦流），該感生電流在垂直于磁力線的平面內(nèi)流動。根據(jù)楞次定律，渦流所產(chǎn)生的磁場總是力圖阻止原磁場的變化，因而需要消耗能量，即產(chǎn)生了渦流損耗。產(chǎn)品設計中，疊片厚度應減小，且片間以絕緣涂層進行絕緣，以控制和減少渦流。

（2）磁滯損耗。當變壓器鐵心受到交變電流周期性變化的影響時，鐵磁材料的內(nèi)部磁疇排列也隨之發(fā)生周期性改變，所產(chǎn)生的功率損失通常被稱為磁滯損耗。磁滯損耗隨硅鋼片性能的提高和厚度的減小而降低，但附加損耗反而增加，兩者的增量與減量大致相等，因此變壓器總的鐵損將主要取決于渦流損耗。

（3）附加損耗。鐵心的附加損耗是由鐵心的不均勻勵磁以及漏磁通穿過鐵心上的部分金屬結(jié)構(gòu)件所引起的渦流損耗。

2 變壓器空載損耗影響因素分析

（1）材料的選取。變壓器鐵心材料的選取是影響變壓器空載損耗的主要因素。變壓器鐵心材料先后出現(xiàn)了熱軋硅鋼片、冷軋取向硅鋼片和非晶合金等材料，同容量的變壓器其鐵心損耗得到了大幅降低。然而，在大容量變壓器的生產(chǎn)制造中，因其技術(shù)工藝和制造成本限制，高導磁冷軋取向硅鋼片在較長一段時期內(nèi)仍然是變壓器鐵心材料的首選。

（2）接縫形式。疊積式鐵心接縫引起的損耗增加是變壓器空載損耗增加的又一主要因素。目前，為使交變磁通產(chǎn)生的感應電流在鐵心中的流向與硅鋼片的晶粒取向接近一致，疊積式鐵心大多采用全斜接縫鐵心結(jié)構(gòu)，在鐵心的接縫處，鐵心磁通穿越相鄰硅鋼片形成閉合磁路，在心柱和鐵軛交接部位的4 個角的磁通方向與硅鋼片的導磁方向不一致，因此局部的鐵心損耗會大大增加。

3 卷鐵心技術(shù)特性分析

卷鐵心最大的優(yōu)點是其磁通方向始終與取向硅鋼片的晶粒取向保持一致，能夠充分發(fā)揮取向硅鋼片優(yōu)越的導磁性能，同時在拼接部位不會形成高磁阻區(qū)，在整個磁路內(nèi)局部磁通的波形相對較好，因此能有效降低變壓器的空載損耗。

3.1 閉合卷鐵心技術(shù)特性分析

常規(guī)的閉合式卷鐵心具有磁阻小、損耗低、勵磁電流小、噪聲低的特點，是單相變壓器最理想的磁路結(jié)構(gòu)。由于常規(guī)的閉合式卷鐵心的線圈只能在成品的鐵心柱上繞制，工藝繁雜，生產(chǎn)效率低，品質(zhì)控制困難，一般僅用于較小容量變壓器產(chǎn)品。

3.2 開口卷鐵心技術(shù)特性分析

新型可拆卸斷口卷鐵心結(jié)構(gòu)是一種新型的開口卷鐵心，采用多級階梯錯列直接縫，與疊片式變壓器的多級階梯斜接縫相似，但與疊鐵心不同的是，多級階梯錯列直接縫設置在鐵心柱或鐵軛的直線部位，可以使階梯錯列接縫級數(shù)大大增加，同時磁通2 次穿越層間間隙便形成閉合回路。因此，新型可拆卸斷口卷鐵心可以全面保留閉合式卷鐵心優(yōu)越的電磁性能，由于斷口可以打開，可以與疊積式鐵心一樣，將鐵心和線圈分開制造后再組合裝配。斷口卷鐵心斷口截面如圖1 所示。

圖1 斷口卷鐵心斷口截面

常規(guī)卷鐵心由于硅鋼片須經(jīng)過剪切、卷繞或彎曲、整形等工序，會在形變的整個范圍內(nèi)產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，從而使材料晶格嚴重劣化，因此一般應進行退火處理以恢復磁性能。新型可拆卸斷口卷鐵心在小容量時也需進行退火處理，但較大容量的新型折疊式卷鐵心由于在鐵心磁路的折彎處受到應力使鐵損增加值有限，因此可不進行退火處理。

另外，變壓器在出現(xiàn)故障時，由于開口卷鐵心具有可拆卸性、可修復性，可有效解決連續(xù)卷制的閉合式卷鐵心工藝性差的問題，是目前采用取向硅鋼片鐵心的變壓器最完美的鐵心結(jié)構(gòu)形式。

4 開口卷鐵心變壓器主要技術(shù)要求

（1）額定容量：(16 000 + 16 000) kV·A；

（2）額定電壓：高壓110 kV，分接范圍±4×2.5%，低壓27.5 kV；

（3）設備最高持續(xù)工作電壓：高壓126 kV，低壓（相對地）31.5 kV；

（4）額定頻率：50 Hz；

（5）相數(shù)：三相；

（6）性能參數(shù)見表1；

（7）聯(lián)結(jié)組別：三相Vv 聯(lián)結(jié)；

（8）絕緣水平見表2。

表1 開口卷鐵心變壓器主要性能參數(shù)

表2 開口卷鐵心變壓器絕緣水平 kV

5 開口卷鐵心空載損耗仿真分析與試驗

為驗證變壓器的空載損耗，針對該鐵心方案，利用有限元分析法對其進行空載損耗仿真計算。

有限元法是通過將整個計算求解域分割成許多小的計算區(qū)域，基本特點是離散化和分片插值。離散是將一個連續(xù)的求解區(qū)域人為地劃分為一定數(shù)量的單元，單元間的相互作用通過節(jié)點傳遞；分片插值是對每個計算單元選擇相應插值函數(shù)，并在單元內(nèi)完成積分計算。

5.1 有限元模型建立

（1）牽引變壓器模型參數(shù)見表3。

表3 牽引變壓器模型參數(shù)

（2）變壓器幾何模型建立。利用三維畫圖軟件，按照牽引變壓器實際尺寸對其進行1∶1 建模，然后導入三維電磁場分析軟件中，同時建立求解域，進行瞬態(tài)場仿真計算，其模型如圖2 所示。

圖2 三維仿真模型

（3）材料屬性設置。模型建立后，對鐵心繞組材料屬性進行設置，鐵心材料采用優(yōu)質(zhì)高導磁硅鋼片，并對其定義繪制了BH 曲線及BP 曲線，如圖3、圖4 所示。

圖3 硅鋼片BH 曲線

圖4 硅鋼片BP 曲線

（4）外電路建模。在仿真計算中，通過建立外電路（圖5）對牽引變壓器模型進行勵磁。LWingding1、LWingding2、LWingding3、LWingding4分別表示牽引變壓器高壓繞組1、高壓繞組2 和低壓繞組1、低壓繞組2，R1、R2、R3、R4 分別表示繞組的內(nèi)電阻。

圖5 外電路

（5）邊界條件。邊界條件是有限元計算中矩陣方程的定解條件，在該計算中，通常認為計算區(qū)域外沒有磁場存在，故在此選擇狄利克萊邊界條件，即

5.2 仿真結(jié)果

通過利用外電路模擬仿真牽引變壓器的空載試驗，仿真計算完成后可得牽引變壓器空載損耗如圖6 所示，其計算的平均空載損耗值為9.84 kW。

圖6 空載損耗

5.3 試驗驗證

變壓器空載損耗仿真計算值與試驗測量值對比如表4 所示，其參數(shù)的計算值與試驗測量值基本吻合，誤差在10%以內(nèi)，滿足工程需要。

表4 變壓器空載損耗仿真值與試驗值對比 kW

6 結(jié)論

通過試驗數(shù)據(jù)對比，該開口卷鐵心變壓器的空載損耗實測值低于技術(shù)要求值，滿足技術(shù)要求，且比標準值降低了33.3%，因此該牽引變壓器具有較好的節(jié)能效果。

該牽引變壓器在產(chǎn)品試制過程中由于沒有相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗，第一臺產(chǎn)品在制造過程中亦出現(xiàn)了很多技術(shù)難點，如上鐵軛的回插等問題，經(jīng)過技術(shù)積累，第二臺基本能夠較熟練地操作完成，批量化生產(chǎn)可操作性進一步得到印證。該開口卷鐵心節(jié)能型牽引變壓器的推廣應用勢必會帶來較好的經(jīng)濟和社會效益。