基于卷鐵芯變壓器技術在軌道交通供電方面優勢的討論

王瑞清

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司電氣化設計院分公司，天津300250）

敞開式立體卷鐵芯干式變壓器區別于傳統環氧樹脂干式變壓器，采用阻燃型絕緣系統及VPI 真空壓力浸漆工藝，結合立體卷鐵芯結構，采用立體卷鐵芯結構，相比于傳統的鐵芯結構，立體卷鐵芯結構更加合理，優勢明顯：抗短路能力更強、空載損耗及空載電流更低、電場磁場強度低、噪音大幅度降低、三相平衡，主要性能指標均優于國內標準。區別于環氧樹脂干式變壓器，立體卷鐵芯繞組采用NOMEXR+絕緣漆的絕緣系統，具有阻燃、耐沖擊能力強、過載能力強、環保等優點。

因其軌道交通運行情況的特殊性，對牽引變壓器的耐負荷沖擊能力及過載能力提出新的挑戰。同時隨著國家高質量發展及軌道交通安全可靠運行要求的提高，對變壓器產品防火、防爆等安全方面的要求也進一步提高。

傳統的疊鐵芯變壓器采用環氧樹脂絕緣，環氧樹脂具有優異的電氣性能和機械強度，廣泛的應用于各種干式變壓器。但與此同時，固化后的環氧樹脂硬度大、韌性差，在軌道交通負荷頻繁改變、短時沖擊大的特殊工況下，存在開裂的隱患，這一點在實際應用中也曾出現過。另外，由于市場化競爭的原因，目前環氧樹脂的質量存在參差不齊的情況，多為環保不達標且不阻燃的樹脂，從而影響變壓器整體的可靠性、阻燃性及環保特性。

從各個方面可以看出，作為軌道交通供電系統中重要組成設備，城市軌道交通領域對牽引整流變壓器在安全可靠、節材、節能、環保等方面提出了更高的要求。（1）安全可靠方面：要求結構合理、散熱良好、過載能力強、抗短路能力強、阻燃等級高。（2）節材方面：在保證基本功能和安全可靠的前提下，在設計、生產制造過程中盡量減少原材料的使用。（3）節能方面：在整個運行周期中相對目前變壓器能耗需大幅降低。（4）環保方面：在整個運行周期中噪音低、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遵循盡量不危害環境的原則。目前，國內軌道交通中使用的變壓器主要為疊鐵芯結構的樹脂澆注干式變壓器。這種變壓器多數采用硅鋼材料的疊鐵芯結構。疊鐵芯結構由硅鋼片疊積而成，硅鋼片對接處形成氣隙，氣隙的磁阻很高，空載時的損耗和空載電流大增，噪音也比較大。硅鋼片經過剪切、疊裝過程后會影響磁疇的排列，同時導致空載損耗上升。套裝式線圈套裝時需保留包裝間隙，而該縫隙的存在會使線圈的抗短路能力下降。運行過程中空載電流大，造成網絡功率因數降低，無功補償投入增加。另有小部分采用非晶合金材料的平面卷鐵芯結構，非晶合金鐵芯的優點是空載損耗低，缺點是抗短路能力差、噪音高。環氧樹脂澆注干式變壓器的線圈為環氧樹脂澆注而成。這種結構的線圈存在如下缺點：a.用環氧樹脂作為主要絕緣材料，難以降解。線圈回收需將樹脂剖開，造成極大粉塵污染，且人工較高，不符合環保可再生要求。b.燃燒時產生大量有毒氣體和濃煙。c.線圈被樹脂包封，維修需將整個線圈剖開報廢，再重新繞制。另外，目前應用于軌道交通的變壓器損耗水平基本較低，運行過程中能耗大。相對于傳統的疊鐵芯干式變壓器，敞開式立體卷鐵芯干式變壓器性能方面具有其特殊優勢：

空載損耗：

1 損耗低

p0空載損耗;k0工藝系數;G 鐵芯重量;Pt鐵芯材料的單位損耗；經過計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構，使鐵芯的鐵軛部分用材量比傳統疊片鐵芯減少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高溫、退火處理，不僅消除了鐵芯的機械應力，而且細化了硅鋼片的磁疇，提高了硅鋼片二次再結晶能力，完全恢復硅鋼磁性能。三相磁路無接縫，磁力線與鐵芯材料及磁化方向完全一致。空載電流平均下降70%以上。

1.4 負載損耗下降

立體卷鐵芯截面填充系數高，有效面積相同情況下，立體卷鐵芯芯柱直徑小，從而減少線圈導線長度，節約繞組線材。同時也可以降低負載損耗。負載損耗下降5%以上。

2 噪聲低

由于卷鐵芯是將硅鋼片條料在專用的鐵芯卷繞機上不間斷、緊密連續卷制而成，沒有接縫，不會產生如疊片式鐵芯那樣因磁路不連續而發出的噪聲。同時，三相磁路、磁通完全對稱，工作磁密設計合理，因而產品噪聲大大降低。

3 周邊電場磁場強度小（輻射小）

立體卷鐵芯結構可大大降低變壓器周圍的雜散磁場。空間漏磁小，僅為傳統結構變壓器的一半，減少電磁輻射。

4 過載能力強

立體卷鐵芯結構自身的發熱量降低，卷鐵芯變壓器其空載損耗、空載電流都非常小，產品本身發熱量就很低。

5 結構緊湊，占地小

立體鐵芯使產品結構緊湊，布局合理，器身平面占地面積比傳統產品減少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 磁路優化

6.1 卷鐵芯層間沒有接縫，磁路各處分布均勻，沒有明顯的高阻區，沒有接縫處磁通密度的畸變現象。

6.2 三相磁路長度相等，三相磁路長度之和最短。

6.3 三相磁路對稱，三相空載電流平衡。

7 鐵芯散熱優勢

通過在立體卷鐵芯內設置的散熱通道，以循環的絕緣油或者冷卻氣體為立體卷鐵芯降溫。由于散熱通道設置在鐵芯柱的結合與卷鐵芯元件的其中兩層導磁帶之間，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，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。三相線圈呈“品”字形排列，在線圈間形成一條上下貫通的中芯天然氣道-“抽風煙囪”，由于上下鐵軛溫差30～40度，產生強烈的空氣對流，冷空氣從下面往中芯通道補充，熱量從上鐵軛內斜面輻射出去，自然循環中迅速帶走變壓器產生的熱量。

8 敞開式立體卷鐵芯干式變壓器防塵技術處理

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

8.1 通過實地調研發現，一般軌道交通用變壓器運行環境潮濕，污穢嚴重，易產生凝露現象，降低變壓器絕緣強度，不利于變壓器安全可靠運行。

8.2 不加防塵筒方案繞組平均溫升設計值80K，那么在負載率50%下，繞組平均溫升僅40K。實際運行中線圈下部的溫度更低，線圈與鐵心下部容易生產凝露現象。加裝防塵筒方案溫升設計值有所提高，有利于提高產品安全可靠性。

試驗對比：

從運行案例和絕緣數據上看，常規產品的防塵效果卓越，完全滿足項目要求。鑒于客戶對設備運維提出更高要求，在變壓器線圈外部加裝絕緣防塵筒的方案。防塵筒包繞在線圈外部，線圈與防塵筒之間存在空氣間隙。增加防塵筒能保證線圈和污穢物實現零接觸，耐污穢能力優于樹脂澆注產品，延長變壓器運維周期，減少運維工作量。

利用目前的同相供電敞開式干變進行驗證，試驗結果表明，變壓器增加防塵筒后絕緣性能更強，各項試驗指標滿足要求，但產品溫升有所升高：

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通過試驗數據對比，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。針對試驗情況，對技術方案進行調整，使得高壓溫升和低壓溫升設計值均衡，均為105K。

設計壽命：

絕緣系統耐熱等級為220℃，產品額定溫升低至105K，額定負載時平均溫度約為130℃，根據絕緣壽命計算公式Log time=7461/(℃+273)-10.4,主絕緣設計壽命遠超合同要求100 年。

經技術及模擬實驗對比立體卷鐵芯結構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，負載損耗下降5%以上，噪音平均降低10dB以上，泄露電磁場輻射強度降低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。

前些年因技術不成熟，立體卷鐵芯變壓器在大容量變壓器上不能發揮優勢，而其特殊的生產工藝不適合工業化生產，但是隨著技術的進步，這些技術難題已經被解決。綜合而言，采用敞開式立體卷鐵芯干式變壓器結構的牽引整流變壓器更加合適在城市軌道交通領域使用，其結構特點更能應對城市軌道交通牽引整流變壓器的運行工況，同時符合軌道交通安全、綠色的發展理念，將會是軌道交通牽引整流變壓器的發展方向。滿足軌道交通運行工況的要求。