基于耐熱刻痕取向硅鋼的S15型立體卷鐵心變壓器研制*

梁慶寧，許凱旋，馬 光，張一航，梁毅雄，張淑菁，關輝淋，周登靈，楊劍波，周俊明，程 靈

（1.海鴻電氣有限公司，廣東 江門 529300；2.國網智能電網研究院有限公司，北京 102211；3.國網浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000）

0 引言

隨著我國低碳經濟的持續推進、智能電網建設及農網改造步伐的加快及“變壓器能效提升計劃”的進一步實施，降低變壓器的損耗，提高供配電系統效率，對電力系統節能，提高系統可靠性具有重要意義。目前，取向硅鋼作為變壓器鐵心的核心材料，其性能直接影響變壓器的損耗。而刻痕取向硅鋼可分為耐熱型和非耐熱型兩種。傳統的疊片式鐵心變壓器制造采用非耐熱取向硅鋼即可，但由于卷鐵心變壓器的制造須對硅鋼片進行消除應力退火處理，因此耐熱取向硅鋼成為制造卷鐵心變壓器的首選材料[1-3]。

耐熱刻痕取向硅鋼作為一種曾經受國外“卡脖子”的技術，如何利用好、發揮好這種技術，在此之前，并沒有實例去借鑒。本文基于我國自主研發的耐熱刻痕取向硅鋼，以立體卷鐵心為研究對象，通過對變壓器性能參數的選定，進行鐵心、線圈、主絕緣、夾件及油箱等設計，確定鐵心尺寸和質量、繞組基本形式、主絕緣類型等參數，并結合立體卷鐵心特有的設備及工藝進行研究，實現國產耐熱刻痕取向硅鋼在卷鐵心變壓器的應用，研制一臺10 kV 電壓等級、S15 型、400 kVA 容量油浸式立體卷鐵心變壓器，從而驗證了國產耐熱刻痕取向硅鋼在立體卷鐵心變壓器技術上的應用效果。采用國產耐熱刻痕取向硅鋼研制的S15 立體卷鐵心變壓器，運行損耗低，對于“碳達峰、碳中和”目標的實現，以及“變壓器能效提升計劃”的進一步實施具有重要意義，為后續超高能效配電變壓器研制奠定基礎[4-8]。

1 技術方案

1.1 產品性能指標

本文以某企業技術項目為依據，掌握國產耐熱刻痕取向硅鋼立體卷鐵心節能配電變壓器制造技術，研制耐熱刻痕取向硅鋼S15 型立體卷鐵心變壓器并獲得應用，空載損耗較GB 20052-2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》1 級能效硅鋼變壓器產品降低30%以上，負載損耗降低15%，噪聲低至35 dB，推動耐熱型極低損耗取向硅鋼應用及超高能效等級配電變壓器技術進步，提升電網運行節能性和環保性。

因此，結合某企業技術項目要求，研制一臺SB15-M·RL-400/10 配電變壓器，具體性能指標如表1所示。

表1 S15型配電變壓器技術參數表

1.2 設計步驟

變壓器設計步驟如下[9-10]。

（1）根據研制產品的容量規格及有關技術標準，計算產品相應的性能參數，如各線圈的線、相電壓及線、相電流等。

（2）根據所選硅鋼片牌號計算鐵心直徑、線圈匝數及每匝電勢。

（3）根據研制產品的容量及電壓等級，確定主、縱絕緣結構、線圈結構及線圈相關數據（如導線規格、線圈層數、匝數排列、線圈的軸、輻向尺寸、電抗高度、絕緣半徑等）計算。

（4）根據線圈相關數據及主縱絕緣距離確定鐵心的窗高、中心距，并計算空載損耗及阻抗電壓。

（5）計算線圈負載損耗（如附加損耗、渦流損耗等的計算）。

（6）產品的溫升計算（如油頂層溫升、線圈對油的平均溫升等的計算）。

（7）計算短路機械力及導線應力，當超過規定值時，應調整安匝分布或加大導線截面。

（8）產品的質量計算。

2 變壓器主部件和絕緣設計

2.1 鐵心設計

鐵心為立體卷鐵心結構，如圖1 所示，材料采用寶武鋼鐵研制的B20HS075耐熱刻痕硅鋼。鐵心通過專有卷繞機連續卷繞加工而成，配合完全退火工藝，有效恢復硅鋼材料的磁性能，減少磁滯損耗[11]。其特點是空載損耗小、空載電流低、噪聲低、漏磁小、且鐵心穩固、抗突發短路能力強。相對于傳統鐵心結構，其空載損耗平均下降約10%，空載電流平均下降約65%，噪聲平均降低約10 dB，周邊電場磁場強度（電磁輻射）降低約50%。鐵心主要設計參數如表2所示。

圖1 立體卷鐵心結構

表2 鐵心主要設計參數

2.2 高、低壓線圈設計

線圈是構成變壓器電路部分的核心，其形式主要根據線圈的電壓等級及容量大小來選取。同時也要考慮各種形式線圈的特點，如散熱面的大小、電氣強度（主要指沖擊性能）和機械強度的好壞，以及制造的工藝性等。

根據研制方案產品的容量大小、電壓等級及絕緣材料老化對產品可靠性的影響，絕緣材料的老化主要分為熱老化和電老化，熱老化受負載大小線圈散熱結構影響較大，負載越大，變壓器運行時溫度越高，熱老化越快。因此，高、低線圈采用低電阻率的無氧銅繞制，結構為卷制簡單、沖擊電壓分布好、油道散熱效率高的多層圓筒式及箔式。高、低壓線圈截面均為圓形，圓形同心式線圈，輻向受力均勻，繞制更緊密，有效降低變壓器的負載損耗，提高抗短路能力。高、低壓線圈設計參數如表3～4所示。

表3 高壓線圈設計參數

表4 低壓線圈設計參數

電老化受工作電壓、過電壓影響，在變壓器通電后持續進行。因此，線圈各部位的電場強度分布是否均勻、是否存在電場強度集中，將很大程度影響絕緣材料電老化的速度。

電場強度可按下式計算：

式中：E為電場強度，V/mm；d為帶電導體的間距（含導線匝絕緣），mm；U為帶電導體之間的電壓，V。

產品額定電壓為10 kV，高壓線圈為多層圓筒式結構，最大層間工作電壓U1=1 520 V，匝間最大工作電壓U2=9.623 V；層間絕緣距離0.54 mm，線匝間距離0.3 mm。由式（1）可知，作用在層間的最大場強E1=2 815 V/mm；作用在線匝的最大場強E2=32 V/mm。兩個部位的電場強度能夠滿足產品運行要求，場強分布均勻，保證了產品的安全可靠性。

2.3 主要絕緣設計

根據以上確定的鐵心高、低壓線圈結構和參數，主要絕緣設計參數如表5所示。

表5 主要絕緣設計參數

2.4 夾件設計

夾件采用創新的腹板結構，依據鐵心外輪廓特點呈三角形排布，焊接成一體，由于三角形的穩定性，因此夾件整體強度高，不易變形。該腹板夾件能有效節省材料，減小變壓器整體重量。新式腹板夾件對線圈的壓持面積較多，在受短路電動力作用時，線圈受力均勻，抗短路能力得到極大增強。下面采用SolidWorks 等三維軟件進行變壓器夾件的結構設計及受力分析，最終根據分析結果，選擇最優方案。夾件結構設計及受力分析過程如下。

首先建立數學模型，并對所建的模型定義材料、添加約束條件和載荷，并進行實體網格化處理，初步建立的模型如圖2所示。

圖2 建立夾件數學模型及網格化處理

對網格化后的模型進行受力分析，如圖3（a）所示。根據受力分析結果，對夾件應力集中點進行優化設計，可通過在應力集中位置處加焊加強筋等措施，進一步提高夾件機械強度。

從受力分析結果可以看出，下夾件腹板與墊腳連接處應力較為集中，可在此連接位置加焊三角形加強筋，提高夾件機械強度。更新模型，重新網格化處理和受力分析。優化后的模型分析結果如圖3（b）所示。

圖3 夾件受力分析結果

從上述受力分析結果可以看出，結構優化前下夾件腹板與墊腳連接處應力較為集中，結構優化后，雖然此處仍是主要應力集中點，但加焊加強筋后，最大應力下降28.6%，提高了下夾件的機械強度，從而提高上、下夾件裝配的整體機械強度。

2.5 油箱設計

油箱依據立體卷鐵心外輪廓特點設計成六邊形結構的波紋油箱，相比常規矩形的油箱，有效節省了變壓器油用量及鋼材用量。油箱3 個長邊側壁上均設置有波紋片以保證散熱及補償隨油溫變化而引起變壓器油體積的膨脹變化。下面采用SolidWorks 等三維軟件進行變壓器油箱的結構設計及受力分析，最終根據分析結果，選擇最優方案。油箱的結構設計及受力分析過程與夾件類似，下面不再重復受力分析過程，僅列出受力分析結果。箱蓋、箱架以及波紋片的受力分析結果如圖4～6所示。

圖4 箱蓋受力分析結果

圖5 箱架受力分析結果

圖6 波紋片受力分析結果

從上述受力分析結果可以看出，經過優化設計后的箱蓋、箱架以及波紋片等油箱關鍵部位的機械強度均滿足設計要求。

3 產品關鍵工藝

變壓器鐵心材料為耐熱刻痕取向硅鋼，結構采用立體卷鐵心結構，與傳統疊片式鐵心結構上的差別甚大。因立體卷鐵心是由若干根一定形狀的硅鋼帶連續卷繞而成，而疊鐵心由縱剪生產線和橫剪生產線將硅鋼帶加工成一定形狀的硅鋼片疊裝而成。這兩種不同制造工藝，由于電工鋼經歷不同的加工過程，因此在變壓器整體工藝流程都有較大的變化。下面對關鍵工序進行分析。

3.1 曲線開料工序

目的：確保鐵心框卷制成形后，其截面為圓形或近似圓形。

如果將一條寬度不變的電工鋼料帶卷繞成框，其截面為長方形；如果需要的截面是圓形或近似圓形（內接多邊形），那么這條料帶的寬度應該是變化的。鐵心框截面為圓形，料帶寬度變化應是一條曲線；鐵心框截面為內接多邊形，料帶寬度變化應是一條斜線[12]。

基于材料利用率和工藝實施難度的考慮，業內基本上都采用截面為近似圓形的立體卷鐵心方案。關于立體卷鐵心截面的設計方法，許多設計人員已發表了相關論文，此處不再詳細闡述。但需要指出的是，由于需要的理想截面是一個圓形，那么在內接多邊形類型的選取上，并不是一成不變，而是必須從設備、加工難度、材料特性、材料利用率、產量大小等方面綜合考慮?？傮w結果是提高截面填充系數，可達98.5%，更高的填充系數可以縮小直徑，減少鐵心和線圈的用量，有利于降低產品空載損耗和負載損耗，以滿足項目研制產品的性能指標要求。

3.2 卷繞工序

目的：使料帶卷繞成鐵心框，確保3 個相同的鐵心框可以拼裝成俯視方向為三角形的立體結構鐵心。

本工序為立體卷鐵心的核心工序，對比疊鐵心變壓器的工藝流程，幾乎所有變化的原因都是本工序的引入。鐵心單框繞制示意如圖7所示。

圖7 鐵心單框繞制示意圖

采用卷繞工藝帶來的變化如下。

（1）不存在垂直于磁路的橫向氣隙。

①勵磁電流大幅降低，疊鐵心由于結構原因，在心柱與鐵軛過渡處存在空氣隙，雖然采用了多級階梯全斜接縫的疊裝工藝，但是電工鋼的磁導率可達空氣磁導率的上萬倍，而根據磁場的全電流定律，可以得知疊鐵心中勵磁電流中的大部分還是用于接縫處。立體卷鐵心由于沒有垂直于磁路的橫向氣隙，因此勵磁電流大幅降低。

②噪聲降低。疊鐵心的橫向氣隙處，磁通由于畸變會產品局部過飽和的現象；而更高的磁通密度會導致磁滯伸縮量增加，另外，此區域為橫向的物理分斷層，磁滯伸縮將由于振動、摩擦等原因而產生額外的噪聲。立體卷鐵心則沒有以上的現象。

③空載損耗降低。疊鐵心的橫向氣隙處，磁通由于畸變會產品局部過飽和的現象；而更高的磁通密度同樣會導致更高的鐵損。

（2）磁通的流通方向與電工鋼帶的高導磁方向的高度一致。

①空載損耗、空載電流大幅降低。取向硅鋼片具有磁晶各向異性，沿鋼帶的碾軋方向是易磁化方向，垂直于碾軋方向是難磁化方向，立體卷鐵心無論是縱剪還是曲線開料藝，均是沿著碾軋方向進行開料，并逐層卷制而成，因此磁力線在鐵心內流通方向與電工鋼帶的高導磁方向高度一致，而對疊鐵心而言，磁力線在心柱與鐵枙的過渡處（四個角部和鐵枙中部）都需要拐彎，而硅鋼材料卻沒有拐彎，磁力線與硅鋼片輾軋方向存在0°～45°的夾角，因此這些區域內將比鐵心的其他區域產生更多的空載損耗，需要更大的磁動勢。

②噪聲降低。立體卷鐵心磁通硅鋼帶的高導磁方向的高度一致，同時可以改善磁滯伸縮量現象。

3.3 退火工序

目的：使鐵心加工過程中硅鋼片的電磁性能劣化的現象得以恢復。

鐵心框卷繞成形時，4 個角部產生很大的應力。疊鐵心從電工鋼帶到鐵心半成品的過程中，如果工藝控制良好，電工鋼帶的應力一般都不大，產生附加損耗約2～5%。然而立體卷鐵心由鋼帶卷繞成形時，4 個角部變形現象極其嚴重，產生很大應力，產生附加損耗達60%以上。因此，為消除卷繞工序產生的附加損耗，恢復電工鋼帶的磁性能，在鐵心框卷制成形后，必須對鐵心框進行去應力退火工序，通過關鍵工序的有效控制，可大幅優化鐵心性能。

該項目研發過程中，針對耐熱刻痕取向硅鋼的退火工序做了大量的試制方案，以找到效果更好的退火工藝。

4 產品設計及生產工藝注意事項

S15 型立體卷鐵心變壓器研制方案各項性能指標要求較高，故在方案設計時需從材料、結構、工藝等多方面進行創新設計，使產品達到項目的要求值。因此，在產品設計時需注意以下幾方面。

（1）在設計鐵心前期，需對所選用的耐熱刻痕極取向硅鋼材料進行測試分析，獲取硅鋼材料性能數據。

（2）負載損耗以線圈的損耗為主，其產生的熱量直接影響線圈溫升，故設計負載損耗性能指標要求較高的S15型產品時，需對線圈油道進行更加合理的選取。

（3）因S15 型立體卷鐵心變壓器的各項性能指標要求較高，該型號400 kVA 容量產品的總重與一臺13 型800 kVA 容量產品相當，因此，在設計器身結構、油箱結構、起吊裝置等結構件時，對上述結構件進行機械強度校核和仿真分析，以確保結構件能滿足使用要求。

（4）在設計時需注意波紋油箱的膨脹系數，保證產品在規定的工作條件、負荷條件下運行不出現滲漏油現象。

（5）在工藝及制造方面，對部分工序工藝流程、工藝參數等做出調整，甚至在工裝、設備等方面也要做出相應的調整，確保產品順利研制完成。

5 測試驗證與結果分析

產品研制完成后，委托廣東產品質量監督檢驗研究院進行第三方檢驗。經檢驗，產品的空載損耗、負載損耗、聲級測定等共17 項試驗項目，全部符合檢測依據和判定依據的要求。其中，產品的空載損耗較GB20052-2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》的1 級能效限定值降低約32%，負載損耗降低約18%，噪聲水平低至32 dB。

產品檢測項目及結果如表6所示。

表6 SB15-M·RL-400/10試驗項目及結果

6 結束語

本文基于我國自主研發的耐熱刻痕取向硅鋼，以立體卷鐵心為研究對象，通過對變壓器性能參數的選定進行產品設計，確定鐵心的尺寸和重量、繞組的基本形式、主絕緣類型等參數，并對產品關鍵部件進行結構性仿真分析，同時結合立體卷鐵心特有的設備及工藝進行研究，研究結果驗證了采用國產耐熱刻痕取向硅鋼研制S15 型立體卷鐵心的有效性和可行性，且產品性能指標均優于國家電網公司科學技術項目《耐熱型極低損耗取向硅鋼及S15型配電變壓器制備技術研究》的技術指標。

按1 臺400 容量變壓器正常運行30 年進行測算，耐熱型刻痕取向硅鋼S15 型立體卷鐵心變壓器要比GB 20052-2020 中1 級能效硅鋼油變節省45 870 kW·h（度）電量，二氧化碳排放量可節省27 t，節能、減碳效果明顯。因此，采用國產耐熱刻痕取向硅鋼研制的S15 立體卷鐵心變壓器，對于“碳達峰、碳中和”目標的實現，以及“變壓器能效提升計劃”的進一步實施具有重要意義，為后續超高能效配電變壓器研制奠定基礎。