非晶合金變壓器在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用研究

李堅(jiān)生

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

非晶合金材料早在20 世紀(jì)70 年代開始研制，具有優(yōu)異的導(dǎo)磁性、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高強(qiáng)度、高電阻率等諸多獨(dú)特性能。我國(guó)非晶合金動(dòng)力變壓器的研制工作始于“七五”期間，1986 年，試制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)單相3kVA 非晶合金動(dòng)力變壓器。由于非晶合金變壓器節(jié)能效果明顯，在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛。在城市軌道交通領(lǐng)域，非晶合金干式變壓器應(yīng)用也日益廣泛，其容量最大達(dá)2500kVA，額定電壓最高達(dá)35kV。自上海城市軌道交通11 號(hào)線于2011 年4 月掛網(wǎng)運(yùn)行35kV 非晶合金干式變壓器（動(dòng)力變）以來，目前，35kV干式非晶合金變壓器已在上海11 號(hào)線迪士尼、17 號(hào)線、14 號(hào)線、15 號(hào)線、18 號(hào)線等線路上得到大量應(yīng)用。其他城市如廣州城市軌道交通、成都城市軌道交通、大連城市軌道交通、深圳城市軌道交通均有線路應(yīng)用。

1 非晶合金的機(jī)理

非晶合金變壓器以鐵基非晶態(tài)金屬作為鐵芯，鐵基非晶態(tài)金屬主要以鐵、鎳、鈷等金屬組成，并加入少量的硼、硅等元素制成的合金，具有良好的鐵磁性。

物質(zhì)就其原子排列方式來說，可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類。對(duì)于導(dǎo)磁的金屬來說，在通常情況下，金屬及合金在液態(tài)凝固成固態(tài)時(shí)，原子總是從液態(tài)的混亂排列轉(zhuǎn)變成整齊的排列，成為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非?？欤ɡ鋮s速度106℃/s），原子來不及排列整齊便被凍結(jié)住了，最終的原子排列方式類似于玻璃，混亂無序，這就是非晶合金。

2 城市軌道交通動(dòng)力變壓器的應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，城市軌道交通變壓器的日負(fù)荷特性可以分為兩個(gè)階段。0：00—5：30各車站處于夜間停運(yùn)模式，僅有少量的應(yīng)急照明負(fù)荷、部分設(shè)備房間的小系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷和維修用電負(fù)荷；5：30—24：00 進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道通風(fēng)和白天的正常運(yùn)營(yíng)模式。理想負(fù)荷曲線如圖1 和圖2 所示，但是用電負(fù)荷曲線隨時(shí)間時(shí)刻變化，存在明顯的峰谷值，比較典型的車站動(dòng)力變壓器用電負(fù)荷曲線如圖3 所示。負(fù)荷一方面體現(xiàn)出明顯的兩個(gè)階段，另一方面也體現(xiàn)出明顯的時(shí)變性，峰值負(fù)荷的波動(dòng)較大[1]。

圖1 冬、春季動(dòng)力變壓器典型負(fù)荷曲線

圖2 夏、秋季動(dòng)力 變壓器典型負(fù)荷曲線

圖3 典型車站動(dòng)力變壓器日負(fù)荷曲線

此外，軌道交通的動(dòng)力負(fù)載除了日常的時(shí)段變化外，還跟線路運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)存在關(guān)系。普遍認(rèn)為，在線路開通初期，變壓器的負(fù)載率不高，隨著線路近期和遠(yuǎn)期的乘客密度、列車的行車密度上升，車站的負(fù)載率也會(huì)有所增加。

目前，城市軌道車站和車輛段降壓變電所動(dòng)力變壓器的運(yùn)行負(fù)載率普遍偏低，造成動(dòng)力變壓器的安裝容量過大，供電系統(tǒng)運(yùn)行的固有損耗偏大，運(yùn)營(yíng)不經(jīng)濟(jì)。但是，在實(shí)際運(yùn)行過程中，也存在變壓器容量選型偏緊的情況，對(duì)后期運(yùn)營(yíng)造成困難，合理選擇變壓器容量的前提是準(zhǔn)確估算用電負(fù)荷。

3 非晶合金變壓器的經(jīng)濟(jì)性分析

非晶合金變壓器的最大優(yōu)點(diǎn)就是空載損耗低，相比傳統(tǒng)SC（B）10 系列變壓器空載損耗降低60%～70%，相比SC（B）13 系列節(jié)能變壓器空載損耗降低50%～60%。非晶合金變壓器的低空載損耗特性貼合城市軌道交通供電系統(tǒng)的需求，非常有效地降低運(yùn)營(yíng)能耗。

與電力變壓器一樣，采用TOC 法，從初始投資和運(yùn)營(yíng)損耗損失兩個(gè)方面進(jìn)行考慮與核算，其中由于13系列能效1 級(jí)電工鋼變壓器和15 系列能效1 級(jí)非晶合金變壓器在負(fù)載損耗上也存在差異（見表1）。因此，負(fù)載損耗引起的差異也列入考核范圍，負(fù)載率按年平均60%計(jì)算，電費(fèi)取0.8075 元/kWh[2]。

表1 SCBH15 非晶合金變壓器相對(duì)于SC（B）13 能效1 級(jí)電工鋼變壓器經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

通過以上分析，可以看出相對(duì)于SC（B）13 能效1級(jí)電工鋼變壓器，SCBH15 系列能效2 級(jí)非晶合金變壓器均可取得較好的收益，回報(bào)年限均在6～7 年左右。此外，在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，變壓器是主要的發(fā)熱設(shè)備，非晶合金變壓器的應(yīng)用還可以減輕環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)荷，降低環(huán)控系統(tǒng)的工程投資。

4 非晶合金變壓器的適用性分析

4.1 故障分析

目前，多地城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司反映區(qū)間跟隨式降壓變電所非晶合金變壓器凝露現(xiàn)象比較嚴(yán)重，造成變壓器絕緣能力降低，甚至部分出現(xiàn)閃絡(luò)的現(xiàn)象。以某地鐵區(qū)間跟隨式降壓變電所非晶合金變壓器故障為例進(jìn)行說明。

2022 年4 月30 日凌晨，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通知，供貨商售后服務(wù)人員配合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)X 區(qū)間所1#變壓器A 相異響進(jìn)行處理。隨后，當(dāng)日凌晨3：31 對(duì)變壓器再次送電。送電時(shí)，變壓器出現(xiàn)異響且有紅光發(fā)生，高壓開關(guān)報(bào)過流保護(hù)動(dòng)作，隨即停電檢查變壓器，發(fā)現(xiàn)C 相高壓線圈出現(xiàn)電弧灼燒的痕跡。4 月30 日晚至5 月1 日凌晨，供貨商技術(shù)人員與項(xiàng)目各方共同對(duì)該設(shè)備進(jìn)行檢查與測(cè)試，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)變壓器內(nèi)有凝露，C 相高壓線圈有閃絡(luò)造成的電弧灼燒痕跡，并發(fā)現(xiàn)C 相線圈連接桿及線圈的上下夾件存在多處放電痕跡，直流電阻測(cè)量發(fā)現(xiàn)C 相高壓線圈下半部分存在斷線情況。

檢查變壓器外觀，發(fā)現(xiàn)C 相存在多處放電點(diǎn)及電弧灼燒痕跡。從變壓器C 相出現(xiàn)多處放電點(diǎn)及閃絡(luò)灼燒的痕跡，可以判斷C 相線圈曾出現(xiàn)較為嚴(yán)重的過電壓放電現(xiàn)象，并形成沿面閃絡(luò)，產(chǎn)生電弧灼燒線圈和墊塊表面。

在拆解過程中，發(fā)現(xiàn)整臺(tái)變壓器積塵嚴(yán)重，局部區(qū)域存在水滴。檢查三相線圈表面，發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面均存在放電痕跡，C 相最為嚴(yán)重。將三相線圈和絕緣筒拔出，進(jìn)行外觀檢查，低壓線圈和內(nèi)絕緣筒基本正常，三相高壓線圈內(nèi)表面均存在不同程度的放電痕跡。

從解剖情況可以看出，失效部位在線圈內(nèi)的影響范圍很小，只有底層最靠邊的導(dǎo)體燒斷，燒穿了對(duì)應(yīng)部位的線圈內(nèi)層絕緣，并且可以清晰看出對(duì)應(yīng)上層導(dǎo)線基本未受影響，對(duì)應(yīng)匝間絕緣完整，判斷故障點(diǎn)不在線圈內(nèi)部的層間和匝間。

委員會(huì)負(fù)責(zé)制作為一種組織結(jié)構(gòu)形式，其主要特點(diǎn)是民主決策和集體行動(dòng)。國(guó)立北平圖書館委員會(huì)是常設(shè)委員會(huì)，是討論和決策館務(wù)大事的機(jī)構(gòu)，其委員為名譽(yù)職位，除正、副館長(zhǎng)之外，其余委員均是從館外聘請(qǐng)的專家、學(xué)者。建筑委員會(huì)是臨時(shí)性委員會(huì)，負(fù)責(zé)討論和決策新館建筑建設(shè)事務(wù)，新館落成后即解散，其委員除副館長(zhǎng)（代理館長(zhǎng)）袁同禮外，其余均從館外聘請(qǐng)。購(gòu)書委員會(huì)是常設(shè)委員會(huì)，負(fù)責(zé)討論和決策中西文圖書采訪的方針和規(guī)則，其委員除少數(shù)為館內(nèi)職員外，多數(shù)從館外聘請(qǐng)。

當(dāng)線圈內(nèi)表面出現(xiàn)帶粉塵污穢的連續(xù)水膜時(shí)，其表面體積電阻率大幅度下降，此時(shí)將形成典型的沿面放電現(xiàn)象（具體過程可參見《高電壓絕緣技術(shù)》），泄漏電流沿線圈表面并逐步形成放電通道，將線圈內(nèi)表面絕緣燒蝕，形成樹枝狀放電痕跡，導(dǎo)致絕緣薄弱點(diǎn)，達(dá)到局部電弧發(fā)展階段。在該事件過程中，當(dāng)合閘產(chǎn)生操作過電壓時(shí)，在絕緣薄弱位置與地電位之間形成閃絡(luò)。

從該事件過程看，當(dāng)合閘時(shí)產(chǎn)生操作過電壓，激發(fā)了絕緣薄弱部位與地電位之間的表面閃絡(luò)，一段時(shí)間后最終導(dǎo)致線圈內(nèi)表面與地電位之間電弧貫穿。

從保護(hù)記錄來看，零序過流啟動(dòng)導(dǎo)致速斷動(dòng)作，同時(shí)C 相電壓大幅度下降都表明發(fā)生了對(duì)地短路。此次的擊穿現(xiàn)象是與線圈內(nèi)部匝間或?qū)娱g短路造成的失效情況存在明顯區(qū)別，典型的內(nèi)部匝間或?qū)娱g短路會(huì)在短路點(diǎn)位置積聚并釋放大量能量，從而使短路點(diǎn)周圍導(dǎo)體燒熔和樹脂碳化，在線圈表面形成噴射狀破壞現(xiàn)象，內(nèi)部燒蝕十分嚴(yán)重，且線圈內(nèi)部影響范圍大于外部[3]。

該內(nèi)部影響范圍很小，僅在斷線點(diǎn)附近極小范圍內(nèi)的絕緣燒蝕，燒穿了對(duì)應(yīng)部位的線圈內(nèi)層絕緣，對(duì)應(yīng)上層導(dǎo)線基本未受影響，對(duì)應(yīng)匝間絕緣完整，線圈內(nèi)部無短路點(diǎn)。由此可以判斷，該故障原因是線圈內(nèi)表面與地電位之間電弧擊穿，導(dǎo)致短路。

4.2 故障原因

經(jīng)研究，主要有以下三點(diǎn)原因：

4.2.1 區(qū)間跟隨式降壓變電所變壓器負(fù)載率低，非晶變壓器空載損耗低，設(shè)備自身損耗發(fā)熱低。區(qū)間跟隨式降壓變電所一般與區(qū)間風(fēng)井合建，變電所負(fù)荷以消防負(fù)荷為主，變壓器容量按消防負(fù)荷計(jì)算。同時(shí)，考慮單臺(tái)變壓器故障帶全所一、二級(jí)負(fù)荷的情況，導(dǎo)致區(qū)間風(fēng)井變壓器正常運(yùn)行的負(fù)載率非常低，通常負(fù)載率只有10%～15%。疊加非晶合金變壓器的低空載損耗特性，變壓器本身損耗發(fā)熱低。

4.2.2 城市軌道交通的地下設(shè)備房環(huán)境濕度大、灰塵多，而區(qū)間風(fēng)井設(shè)備房的空調(diào)系統(tǒng)不具備抽濕功能。設(shè)備表面溫度不高，空氣濕度大，導(dǎo)致設(shè)備表面凝露。設(shè)備表面灰塵多，疊加凝露，形成良好的放電回路?？赏ㄟ^在區(qū)間設(shè)備房增設(shè)抽濕設(shè)備解決，但會(huì)增加設(shè)備投資，以及帶來更多的設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本。

考慮上面的三點(diǎn)原因，非晶合金變壓器在區(qū)間跟隨所降壓變電所的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不明顯，綜合運(yùn)維成本，常規(guī)電工鋼變壓器的使用效果更佳。

4.3 缺點(diǎn)

非合金變壓器除了其優(yōu)異的節(jié)能特性外，也存在一些設(shè)備固有的缺點(diǎn)。

4.3.1 脆性

非晶合金帶材具有脆性，其抗外應(yīng)力性能不及硅鋼片變壓器。干式非晶合金帶碎片的產(chǎn)生主要發(fā)生在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在工廠澆筑完成后再產(chǎn)生碎片的可能性很小。近年，隨著生產(chǎn)工藝及運(yùn)輸防護(hù)技術(shù)的提高，非晶合金碎片化的缺陷已有很大改善。

4.3.2 噪聲大

非晶合金變壓器的噪聲主要來源于非晶合金變壓器鐵芯、繞組及其他裝置（冷卻裝置）等。變壓器在運(yùn)行過程中，非晶合金帶材的磁致伸縮現(xiàn)象是引起鐵芯振動(dòng)和噪聲的主要原因。由于非晶合金帶材的磁致伸縮率比硅鋼片大，因此非晶合金變壓器噪聲比硅鋼變壓器略大。

4.3.3 體積、重量更大

非晶合金變壓器由于其鐵芯工藝和結(jié)構(gòu)方面的原因，產(chǎn)品的體積、重量通常比同容量常規(guī)硅鋼片變壓器大約10%和20%。由于城市軌道交通的設(shè)備房多位于地下，體積和重量均更大的非晶合金變壓器對(duì)設(shè)備運(yùn)輸和安裝提出更高的要求。

4.3.4 價(jià)格更貴

相同容量的非晶合金變壓器比傳統(tǒng)硅鋼變壓器貴20%～30%。一方面源于非晶合金變壓器的制造門檻更高，非晶合金帶材的成本也更高；另一方面，目前非晶合金變壓器的使用尚處于逐步推廣擴(kuò)大階段，特別是軌道交通行業(yè)，各地尚處于試點(diǎn)應(yīng)用階段，量少不利于設(shè)備的規(guī)?；s化生產(chǎn)。隨著將來設(shè)備的普遍應(yīng)用，其產(chǎn)品造價(jià)還有一定的壓縮空間[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，非晶合金變壓器非常符合城市軌道交通的負(fù)荷特性，也符合當(dāng)下社會(huì)綠色節(jié)能的社會(huì)主基調(diào)。從全生命周期成本來看，經(jīng)濟(jì)效益顯著，有非常寬廣的應(yīng)用前景。但是，在地下區(qū)間跟隨式降壓變電所的應(yīng)用場(chǎng)景下還有所局限，隨著產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展，這些問題也必將得到很好的解決。