卷鐵心自耦變壓器背景

我國鐵路事業(yè)高速發(fā)展，在十三五期間，國家規(guī)劃了中長期( 至2030年) 高速鐵路規(guī)劃圖，八縱八橫高鐵大干線將形成高鐵網(wǎng)絡(luò)。伴隨高鐵大發(fā)展，鐵路用電量也是規(guī)模巨大，我國鐵路牽引用電制式為單相27.5kV，因?yàn)槠涮厥庑运詮碾娏ο到y(tǒng)中取電就需要牽引變壓器，所以變壓器成為了牽引供電系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)。

針對牽引回路中產(chǎn)生電磁、電雜音等各種問題，最佳的解決方案是采用AT供電方式；除此之外，采用AT供電方式還可以提高機(jī)車的供電質(zhì)量，減輕相鄰線路通信的干擾，所以自耦變壓器供電方式在我國應(yīng)用最為廣泛。自耦變壓器是AT供電方式的關(guān)鍵，自耦變壓器相比于普通電力變壓器體積更小、重量更輕、損耗更低，既方便運(yùn)輸，又節(jié)省成本。標(biāo)準(zhǔn)要求電氣化鐵路牽引自耦變壓器折算至27.5kV側(cè)的短路阻抗小于0.45 ，與常規(guī)電力變壓器相比這是一個(gè)非常小的短路阻抗值，所以在牽引自耦變壓器的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)低短路阻抗的要求就顯得至關(guān)重要 。

作為牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，牽引變壓器的平均負(fù)載率并不高，據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，復(fù)線電氣化鐵路在重載運(yùn)行情況下，其平均負(fù)載系數(shù)可達(dá)0.5-0.6；但是在一般情況下，平均負(fù)載率只有0.3-0.6，單線運(yùn)行線路空載率達(dá)到4成之多。由此可見，變壓器的空載損耗就不能忽視，假若能大幅減小牽引自耦變壓器的空載損耗，這也會是一個(gè)不小的節(jié)能措施。由于空載損耗主要由鐵心決定，目前多采用新材料和新的鐵心結(jié)構(gòu)來降低空載損耗，其中卷鐵心結(jié)構(gòu)是由硅鋼片卷繞而成，相比于同容量的疊鐵心變壓器空載損耗能減少20%-30%，但是目前卷鐵心變壓器多用在小容量的配電變壓器和大容量的單相變壓器，我國鐵路上的牽引自耦變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)多是疊鐵心，如果卷鐵心自耦變壓器得到廣泛應(yīng)用，那么節(jié)電量將是一個(gè)非?？捎^的數(shù)字，所以如果能設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出卷鐵心的自耦變壓器運(yùn)用在高速鐵路上，其節(jié)能的優(yōu)勢肯定會帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益 。

早在上個(gè)世紀(jì)四、五十年代，國外率先研制單相卷鐵心變壓器。前蘇聯(lián)莫斯科變壓器廠最先在小容量單向變壓器中采用卷鐵心結(jié)構(gòu)，美國、日本也研發(fā)了小型R型卷鐵心變壓器運(yùn)用在游戲機(jī)中。我國在20世紀(jì)60年代開始研制卷鐵心變壓器，限于當(dāng)時(shí)材料和技術(shù)的原因，生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品很少。到了20世紀(jì)80年代后期，國內(nèi)的一些廠家才開始生產(chǎn)卷鐵心變壓器，作為全國領(lǐng)先的沈變、天威保變等公司在卷鐵心變壓器的研發(fā)投入了較大精力，發(fā)展到現(xiàn)在，全國現(xiàn)有卷鐵心變壓器生產(chǎn)廠200多家，形成一定的生產(chǎn)能力的廠家約占總數(shù)的20%。

在我國，卷鐵心在變壓器運(yùn)用最廣泛的方向是農(nóng)村配電網(wǎng)中的配電變壓器，我國農(nóng)村人口眾多，農(nóng)村電網(wǎng)投入大，卷鐵心結(jié)構(gòu)以其低空載損耗的優(yōu)勢帶來節(jié)能效益不可估量。卷鐵心變壓器是由硅鋼片卷繞而成，由最開始的單相卷鐵心發(fā)展到后來的立體三相卷鐵心，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜多樣 。

鐵心是變壓器的主要構(gòu)件，是變壓器的磁路和骨架，它把一次電路的電能轉(zhuǎn)化為磁能再轉(zhuǎn)化為二次側(cè)的電能，是能量轉(zhuǎn)換的媒介。傳統(tǒng)的變壓器一般都使用疊鐵心結(jié)構(gòu)，但卷鐵心結(jié)構(gòu)因?yàn)槠湎铝袃?yōu)勢，逐漸發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。

1) 在材質(zhì)相同的情況下，卷鐵心與疊鐵心相比，鐵損工藝系數(shù)從1.2-1.4之間下降到1.05-1.10之間，使鐵損大大下降。

2) 在鐵心直徑相同的情況下，鐵窗高度相同的情況下，卷鐵心結(jié)構(gòu)比疊鐵心結(jié)構(gòu)的鐵心重量要小。

3) 卷鐵心工藝性好。卷鐵心采用機(jī)械化生產(chǎn)，沒有橫向剪切，只有縱向剪切，用機(jī)械卷繞代替人工疊裝，大大簡化的工藝程序，提高了生產(chǎn)效率。

4) 卷鐵心相對于疊鐵心更是一個(gè)牢固的整體，不需要夾件緊固，僅需考慮繞組軸向緊固，整個(gè)變壓器就能耐受短路電流引起的電動機(jī)械力，抗短路能力強(qiáng)。

5) 卷鐵心是由硅鋼片條緊密繞制而成，沒有對接縫，是一個(gè)完整的整體，因此變壓器的噪聲更小，與同條件下的疊鐵心相比，噪聲降低5.10dB。

鐵心和繞組是變壓器的核心結(jié)構(gòu)，是變壓器的電磁耦合的關(guān)鍵，決定了變壓器的基本性能，所以首先確立鐵心和繞組的結(jié)構(gòu)就大體確立了整個(gè)變壓器的框架。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器原理

AT供自耦變壓器是用在牽引供電系統(tǒng)中的一種特殊的單相變壓器。自耦變壓器與普通電力變壓器的區(qū)別是一、二次繞組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。正因?yàn)槿绱?，在傳輸容量相同的條件下，自耦變壓器與普通的電力變壓器相比，尺寸更小，效率更高。

AT供單相自耦變壓器繞組電路連接關(guān)系如圖2-1所示，其中AB繞組是串聯(lián)繞組；CD繞組是為高壓側(cè)和低壓側(cè)共有的，通常稱為公共繞組 。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器卷鐵心

（1）鐵心結(jié)構(gòu)及尺寸

1) 鐵心結(jié)構(gòu)選擇

AT自耦變壓器是單相變壓器，這種大容量的單相變壓器的鐵心一般采用單相雙框式或者是單相單框式。單相雙框式結(jié)構(gòu)鐵心、繞組及油道設(shè)置如圖2-2所示，兩個(gè)部分的鐵心獨(dú)立繞制；單相單框式結(jié)構(gòu)鐵心、繞組及油道設(shè)置如圖2-3所示。其各自的優(yōu)勢劣勢如下：

單相雙框式鐵心

優(yōu)勢：絕緣墊塊、壓塊結(jié)構(gòu)簡單； 運(yùn)輸方便

劣勢：拼合難度大；線圈高度高，加上端部絕緣部分，圈制造造成困難；抗短路能力較弱

單相單框式鐵心

優(yōu)勢：抗短路能力強(qiáng)；繞組分散，利于散熱

劣勢：線圈繞制的工作量翻倍；對線引線更復(fù)雜

綜合考慮兩種鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是單相單框式結(jié)構(gòu)在抗短路能力上的優(yōu)勢，采用單相單框式鐵心結(jié)構(gòu)。

2) 鐵心直徑

鐵心直徑選取是否合理，將直接影響變壓器的材料消耗、變壓器重量、體積、成本、運(yùn)輸及主要性能指標(biāo)。如果鐵心直徑選取過大時(shí)，變壓器的重量將會增加，空載損耗增加，這樣運(yùn)輸成本也會增加，變壓器的外形也更加矮胖，而導(dǎo)線重和負(fù)載損耗會減小。如果變壓器鐵心直徑選取過小，會得到相反的結(jié)果。

3）鐵心材料

鐵心作為變壓器的骨架和導(dǎo)磁構(gòu)件，其性能至關(guān)重要，而變壓器鐵心的性能又主要是由其材料所決定。為使變壓器性能達(dá)到要求，鐵心材料必須滿足兩點(diǎn)要求：

第一，材料要有較高的磁導(dǎo)率，這樣在同樣的磁通密度下，傳導(dǎo)的磁通量就大，所需的鐵心材料就少，變壓器鐵心的體積和重量也較小，相對而言可節(jié)省硅鋼片、銅線和絕緣材料，方便運(yùn)輸節(jié)省成本；

第二，材料的單位損耗要低，變壓器的空載損耗是由鐵心的材料所決定的，單位損耗越低，相應(yīng)的空載損耗就越低，同時(shí)損耗產(chǎn)生的溫升也降低，對變壓器的性能就有顯著提升。目前，變壓器鐵心材料多使用硅鋼片，而硅鋼片按生產(chǎn)工藝分為冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片，冷軋硅鋼片又分為晶粒有取向和晶粒無取向硅鋼片，不同硅鋼片材料的特點(diǎn)和性能如表2.3所示。

經(jīng)過上表中的硅鋼片的性能比較，雖然工藝相對較復(fù)雜，但冷軋硅鋼片在損耗方面具有較大優(yōu)勢，采用取向高導(dǎo)磁硅鋼片 。

（2）加工工藝

由于卷鐵心的結(jié)構(gòu)和疊鐵心結(jié)構(gòu)的區(qū)別，所以卷鐵心的制造過程同疊鐵心相比也有本質(zhì)的不同。疊鐵心和卷鐵心的基礎(chǔ)材料都是硅鋼片，疊鐵心通過不同大小的硅鋼片堆疊而成，卷鐵心通過集中寬度不同的硅鋼片卷繞而成。按鐵心層內(nèi)有無接縫，卷鐵心又分為切斷和不切斷兩種結(jié)構(gòu)。其中切斷結(jié)構(gòu)多用于柱截面為矩形或者是橢圓形的鐵心，適用于三相五柱式鐵心；不切斷結(jié)構(gòu)鐵心柱截面為正圓形或者R形，多用于單柱式或雙柱式鐵心。本文中的自耦變壓器結(jié)構(gòu)采用單柱式結(jié)構(gòu)，卷鐵心采用不切斷及無接縫結(jié)構(gòu)，其卷繞過程是連續(xù)的，整個(gè)鐵心的磁化方向與硅鋼片的軋制方向也一致，磁路各路磁通分布均勻。理想退火情況下，單相卷鐵心的工藝系數(shù)可以達(dá)到1.02，勵磁電流相對于疊鐵心可以降低75%左右。

卷鐵心的制造過程可分為如下幾個(gè)部分：

1）縱剪開料

按照設(shè)計(jì)要求縱剪合適寬度后，在折線開料機(jī)上開料。開料機(jī)在調(diào)試使用當(dāng)中可能出現(xiàn)料帶跑偏、料帶卷邊、料帶毛刺，送收料同步、刀頭微動精度等問題。

2）卷繞

將心模板安裝在支撐軸上，繞后將開好的料帶按照設(shè)計(jì)圖紙逐條卷繞在心模板上。卷繞過程中要解決平面齊整度、料帶導(dǎo)向、張力控制、卷繞鎖制、心模脫卸等諸多問題。

3）卸料翻轉(zhuǎn)

鐵心重量重達(dá)好幾噸，需要設(shè)計(jì)工裝解決鐵心重量從支撐軸轉(zhuǎn)移并翻轉(zhuǎn)問題。

4）退火

退火工藝曲線關(guān)乎退火成敗，正空度、溫升速度、分幾個(gè)階段升溫、保溫溫度、保溫時(shí)間、降溫速度、充氮?dú)鈺r(shí)刻等多個(gè)參數(shù)都舉足輕重。真空度不夠，硅鋼片表面將被氧化，升溫速度過快硅鋼片將產(chǎn)生應(yīng)變，鐵心變形，退火效果大打折扣，升溫速度過慢則浪費(fèi)能源增加費(fèi)用，保溫時(shí)間類同。

5）鐵心拼裝

將兩半鐵心拼合，中間設(shè)置油道，安裝鐵心拉板及夾件，安裝支撐的木件，并用綠綁帶捆扎為一體 。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器繞組結(jié)構(gòu)

變壓器繞組結(jié)構(gòu)大體上可以分為兩類，層式繞組和餅式繞組。層式繞組又稱為圓筒式繞組，其中應(yīng)用最為廣泛的是雙層及多層圓筒式繞組，其結(jié)構(gòu)簡單，常用于35kV及以下的中小型油浸式變壓器，構(gòu)成整個(gè)繞組的材料及零部件有導(dǎo)線、厚紙筒、端絕緣、層絕緣、油道支撐、靜電屏。雖然其制作簡單，工藝性好，但端部支撐的穩(wěn)定性不好，所有層式繞組，尤其是多層式繞組的雷電沖擊性能好，在超高壓變壓器領(lǐng)域有所應(yīng)用，但它的廣泛應(yīng)用受制于其軸向支撐的穩(wěn)定性較差。餅式繞組包括連續(xù)式、糾結(jié)式、內(nèi)屏蔽式、螺旋式以及更加復(fù)雜的交錯式繞組，餅式繞組機(jī)械強(qiáng)度高，散熱性好，在目前得到廣泛的使用，其中的糾結(jié)式繞組和內(nèi)屏蔽式繞組，可以增加繞組的縱向電容，改善繞組沖擊電壓的分布，沖擊特性較好，適用于高電壓等級的變壓器。綜合分析兩種繞組結(jié)構(gòu)，采用餅式繞組結(jié)構(gòu)。

短路阻抗是變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算中的一個(gè)十分重要的參數(shù)，它的大小涉及到變壓器的成本、效率、電壓變化率、機(jī)械強(qiáng)度、短路電流大小等。對于大型變壓器，短路阻抗的電阻分量所占的比重很小，所以短路阻抗的大小就由其電抗分量所決定。短路電抗主要由變壓器的繞組布置方式、繞組連接方式所決定，而不同的繞組布置方式又決定了變壓器的漏磁大小及分布規(guī)律，所以可以說短路電抗是由變壓器的漏磁場大小及分布規(guī)律所決定的 。