节能型卷铁心自耦变压器结构及性能分析

节能型卷铁心自耦变压器结构及性能分析

任玉龙徐志华

(中铁电气工业有限公司保定铁道变压器分公司河北保定071000)

摘要：随着国家节能减排发展战略的实施，节能型变压器正成为未来的发展趋势。自耦变压器作为牵引供电系统的重要组成部分，本文所述节能型自耦变压器以卷铁心结构为基础，介绍卷铁心结构和绕组的设计方案，同时掌握卷铁心卷绕、退火及绕组一体化绕制等关键技术。该样机通过了国家变压器质量监督检验中心试验，符合国家及行业相关标准，其试验结果与叠积式铁心自耦变压器相比：空载损耗下降41.7%，噪声值下降8.5%，节能降噪效果良好。

关键词：节能；卷铁心；自耦变压器；空载损耗

一、引言

我国电气化高速铁路主要采用AT供电方式，在AT供电系统中，每隔10公里左右设置一个AT所，每个AT所中都配置自耦变压器，其数量相当可观。自耦变压器作为牵引供电系统中能量传输和转换的重要组成部分，其空载损耗成为系统主要损耗之一，为了降低牵引供电系统运行损耗，提高其运行经济性，研究开发节能型自耦变压器具有重要意义。受牵引间歇负荷特性影响，自耦变压器多数时间处于空载状态，只有牵引机车经过时才为负载状态。据统计，一般情况下电气化铁路的平均负载系数为0.3～0.6，在重载情况下复线的平均负载系数最高只有0.5～0.6，单线的空载运行时间常常高达40%～50%，这使得自耦变压器空载损耗占总体损耗的很大一部分。

非晶合金变压器和卷铁心变压器是当前发展前景较好的节能型变压器，非晶合金具有高磁导率、低损耗等优点，但其对机械应力较为敏感，且热稳定性能欠佳，较难应用在大型铁心中；卷铁心变压器在硅钢片的基础上，以其先进的结构和在降低空载损耗上表现出的优异性能，是目前节能型自耦变压器的首选。卷铁心是将多片预制形状的硅钢片带料连续卷制而成，充分利用原材料的取向性，且料带连续绕制无需接缝，卷绕紧密，整个磁路中空气气隙较少，磁阻小，损耗低。相比叠积式铁心，其制备工艺较复杂，但其角重较小，节约材料，同时空载损耗以及空载电流能够得到大幅减小。叠积式铁心与卷铁心形式如图1，图2所示。

图1叠积式铁心图2卷铁心

二、样机试制及其关键技术

研制目标：制作高效节能的卷铁心自耦变压器，将变压器铁心损耗（空载损耗）降低40%，减少对电能的消耗；将变压器空载电流降低60%以上，提高功率因数，降低电网损耗；降低变压器的噪音，改善噪音污染。

主要技术参数：

产品型号：OD-RM-12600/55

空载损耗：3.6kW

负载损耗：24.5kW

阻抗：0.45Ω

卷铁心自耦变压器研制过程主要包括确定电磁计算方案、铁心装配、绕组绕制及绝缘件装配压紧等工序，具体工艺流程如图3所示。样机研制过程中的关键技术为大型卷铁心的成型和绕组绕制技术，其中包括配套铁心卷绕机、绕线机等设备的研制与开发，为日后大容量卷铁心变压器的量产打下基础。卷铁心整体性好，卷绕成型后进行退火，据统计，采用同牌号、同规格的材料制成的铁心，退火后比不退火的空载损耗可减低5%～10%，空载电流可降低15%～30%。硅钢片间紧密，有效降低了铁心的噪声。卷铁心装配示意图如图4所示。

图3卷铁心自耦变压器制造过程

图4卷铁心装配示意图图5绕线设备

卷铁心变压器绕组在铁心柱上直接绕制。卷铁心变压器的绕组需要专门的绕线设备如图5所示，将导线直接绕制在铁心上。

绕组绕制过程，首先把卷制合格的铁心固定在专用绕线机上，然后将两半齿轮安装在铁心柱上，固定好齿轮铜套与铁心的定位，靠手柄调整两个主动齿轮与绕线齿轮，使其达到最佳啮合，并保证两端齿轮间距符合绕组轴向尺寸要求。绕线时，绕组两端的绕线齿轮采用内衬套定位，确保绕线齿轮的震动不会对铁心产生摩擦。绕完绕组在其两端放入组合式绝缘件，利用拉螺杆压紧绕组。

三、试验与节能效果分析

样机在国家变压器质量监督检验中心完成例行试验、型式试验、特殊试验。表1为部分试验项目的测量数据值。由表1可知，卷铁心自耦变器与叠积式自耦变压器相比：空载电流下降16.7%，空载损耗值下降41.7%，，声级下降8.5%；油面温升下降19.1%，绕组温升下降19.8%。试验结果表明在符合运行标准的前提下，样机达到了预期的节能降噪效果。

表1自耦变压器试验数据对比

四、结语

通过对该节能型卷铁心自耦变压器试验数据的分析，可以初步确定该变压器节能效果显著，与叠积式铁心自耦变压器相比，空载损耗下降41.7%，噪声值下降8.5%,远低于规范要求。截至2018年底，我国电气化铁路总里程约为8.5万公里，若按每10公里一个12.6MVA变电所空载损耗下降2.4kW计算，每年可节能17000万千瓦时。若将卷铁心技术推广到AT牵引变压器中，则节能效果将更加显著。

参考文献:

[1]谢毓城,电力变压器手册[M].机械工业出版社.出版时间:2003.

[2]李丹娜.电力变压器应用技术[M].北京:中国电力出版社,2009.

[3]胡启凡.变压器试验技术[M].北京:中国电力出版社,2010.