[科普中国]-卷铁心自耦变压器

背景

我国铁路事业高速发展，在十三五期间，国家规划了中长期( 至2030年) 高速铁路规划图，八纵八横高铁大干线将形成高铁网络。伴随高铁大发展，铁路用电量也是规模巨大，我国铁路牵引用电制式为单相27.5kV，因为其特殊性所以从电力系统中取电就需要牵引变压器，所以变压器成为了牵引供电系统中非常重要的一环。

针对牵引回路中产生电磁、电杂音等各种问题，最佳的解决方案是采用AT供电方式；除此之外，采用AT供电方式还可以提高机车的供电质量，减轻相邻线路通信的干扰，所以自耦变压器供电方式在我国应用最为广泛。自耦变压器是AT供电方式的关键，自耦变压器相比于普通电力变压器体积更小、重量更轻、损耗更低，既方便运输，又节省成本。标准要求电气化铁路牵引自耦变压器折算至27.5kV侧的短路阻抗小于0.45 ，与常规电力变压器相比这是一个非常小的短路阻抗值，所以在牵引自耦变压器的设计中，实现低短路阻抗的要求就显得至关重要1。

作为牵引供电系统的重要组成部分，牵引变压器的平均负载率并不高，据相关部门统计，复线电气化铁路在重载运行情况下，其平均负载系数可达0.5-0.6；但是在一般情况下，平均负载率只有0.3-0.6，单线运行线路空载率达到4成之多。由此可见，变压器的空载损耗就不能忽视，假若能大幅减小牵引自耦变压器的空载损耗，这也会是一个不小的节能措施。由于空载损耗主要由铁心决定，目前多采用新材料和新的铁心结构来降低空载损耗，其中卷铁心结构是由硅钢片卷绕而成，相比于同容量的叠铁心变压器空载损耗能减少20%-30%，但是目前卷铁心变压器多用在小容量的配电变压器和大容量的单相变压器，我国铁路上的牵引自耦变压器的铁心结构多是叠铁心，如果卷铁心自耦变压器得到广泛应用，那么节电量将是一个非常可观的数字，所以如果能设计并生产出卷铁心的自耦变压器运用在高速铁路上，其节能的优势肯定会带来更大的经济效益2。

卷铁心变压器研究现状早在上个世纪四、五十年代，国外率先研制单相卷铁心变压器。前苏联莫斯科变压器厂最先在小容量单向变压器中采用卷铁心结构，美国、日本也研发了小型R型卷铁心变压器运用在游戏机中。我国在20世纪60年代开始研制卷铁心变压器，限于当时材料和技术的原因，生产厂家和产品很少。到了20世纪80年代后期，国内的一些厂家才开始生产卷铁心变压器，作为全国领先的沈变、天威保变等公司在卷铁心变压器的研发投入了较大精力，发展到现在，全国现有卷铁心变压器生产厂200多家，形成一定的生产能力的厂家约占总数的20%。

在我国，卷铁心在变压器运用最广泛的方向是农村配电网中的配电变压器，我国农村人口众多，农村电网投入大，卷铁心结构以其低空载损耗的优势带来节能效益不可估量。卷铁心变压器是由硅钢片卷绕而成，由最开始的单相卷铁心发展到后来的立体三相卷铁心，结构也越来越复杂多样3。

卷铁心自耦变压器优点铁心是变压器的主要构件，是变压器的磁路和骨架，它把一次电路的电能转化为磁能再转化为二次侧的电能，是能量转换的媒介。传统的变压器一般都使用叠铁心结构，但卷铁心结构因为其下列优势，逐渐发展并得到广泛应用。

1) 在材质相同的情况下，卷铁心与叠铁心相比，铁损工艺系数从1.2-1.4之间下降到1.05-1.10之间，使铁损大大下降。

2) 在铁心直径相同的情况下，铁窗高度相同的情况下，卷铁心结构比叠铁心结构的铁心重量要小。

3) 卷铁心工艺性好。卷铁心采用机械化生产，没有横向剪切，只有纵向剪切，用机械卷绕代替人工叠装，大大简化的工艺程序，提高了生产效率。

4) 卷铁心相对于叠铁心更是一个牢固的整体，不需要夹件紧固，仅需考虑绕组轴向紧固，整个变压器就能耐受短路电流引起的电动机械力，抗短路能力强。

5) 卷铁心是由硅钢片条紧密绕制而成，没有对接缝，是一个完整的整体，因此变压器的噪声更小，与同条件下的叠铁心相比，噪声降低5.10dB。

卷铁心自耦变压器铁心设计及绕组结构铁心和绕组是变压器的核心结构，是变压器的电磁耦合的关键，决定了变压器的基本性能，所以首先确立铁心和绕组的结构就大体确立了整个变压器的框架。

AT供自耦变压器原理AT供自耦变压器是用在牵引供电系统中的一种特殊的单相变压器。自耦变压器与普通电力变压器的区别是一、二次绕组之间除了有磁的耦合外，还有电的直接联系。正因为如此，在传输容量相同的条件下，自耦变压器与普通的电力变压器相比，尺寸更小，效率更高。

AT供单相自耦变压器绕组电路连接关系如图所示，其中AB绕组是串联绕组；CD绕组是为高压侧和低压侧共有的，通常称为公共绕组3。

AT供自耦变压器卷铁心**（1）铁心结构及尺寸**

1) 铁心结构选择

AT自耦变压器是单相变压器，这种大容量的单相变压器的铁心一般采用单相双框式或者是单相单框式。单相双框式结构铁心、绕组及油道设置如图2.2所示，两个部分的铁心独立绕制；单相单框式结构铁心、绕组及油道设置如图2.3所示。其各自的优势劣势如下：

单相双框式铁心

优势：绝缘垫块、压块结构简单； 运输方便

劣势：拼合难度大；线圈高度高，加上端部绝缘部分，圈制造造成困难；抗短路能力较弱

单相单框式铁心

优势：抗短路能力强；绕组分散，利于散热

劣势：线圈绕制的工作量翻倍；对线引线更复杂

综合考虑两种铁心结构优缺点，尤其是单相单框式结构在抗短路能力上的优势，采用单相单框式铁心结构。

2) 铁心直径

铁心直径选取是否合理，将直接影响变压器的材料消耗、变压器重量、体积、成本、运输及主要性能指标。如果铁心直径选取过大时，变压器的重量将会增加，空载损耗增加，这样运输成本也会增加，变压器的外形也更加矮胖，而导线重和负载损耗会减小。如果变压器铁心直径选取过小，会得到相反的结果。

3）铁心材料

铁心作为变压器的骨架和导磁构件，其性能至关重要，而变压器铁心的性能又主要是由其材料所决定。为使变压器性能达到要求，铁心材料必须满足两点要求：

第一，材料要有较高的磁导率，这样在同样的磁通密度下，传导的磁通量就大，所需的铁心材料就少，变压器铁心的体积和重量也较小，相对而言可节省硅钢片、铜线和绝缘材料，方便运输节省成本；

第二，材料的单位损耗要低，变压器的空载损耗是由铁心的材料所决定的，单位损耗越低，相应的空载损耗就越低，同时损耗产生的温升也降低，对变压器的性能就有显著提升。目前，变压器铁心材料多使用硅钢片，而硅钢片按生产工艺分为冷轧硅钢片和热轧硅钢片，冷轧硅钢片又分为晶粒有取向和晶粒无取向硅钢片，不同硅钢片材料的特点和性能如表2.3所示。

经过上表中的硅钢片的性能比较，虽然工艺相对较复杂，但冷轧硅钢片在损耗方面具有较大优势，采用取向高导磁硅钢片4。

（2）加工工艺

由于卷铁心的结构和叠铁心结构的区别，所以卷铁心的制造过程同叠铁心相比也有本质的不同。叠铁心和卷铁心的基础材料都是硅钢片，叠铁心通过不同大小的硅钢片堆叠而成，卷铁心通过集中宽度不同的硅钢片卷绕而成。按铁心层内有无接缝，卷铁心又分为切断和不切断两种结构。其中切断结构多用于柱截面为矩形或者是椭圆形的铁心，适用于三相五柱式铁心；不切断结构铁心柱截面为正圆形或者R形，多用于单柱式或双柱式铁心。本文中的自耦变压器结构采用单柱式结构，卷铁心采用不切断及无接缝结构，其卷绕过程是连续的，整个铁心的磁化方向与硅钢片的轧制方向也一致，磁路各路磁通分布均匀。理想退火情况下，单相卷铁心的工艺系数可以达到1.02，励磁电流相对于叠铁心可以降低75%左右。

卷铁心的制造过程可分为如下几个部分：

1）纵剪开料

按照设计要求纵剪合适宽度后，在折线开料机上开料。开料机在调试使用当中可能出现料带跑偏、料带卷边、料带毛刺，送收料同步、刀头微动精度等问题。

2）卷绕

将心模板安装在支撑轴上，绕后将开好的料带按照设计图纸逐条卷绕在心模板上。卷绕过程中要解决平面齐整度、料带导向、张力控制、卷绕锁制、心模脱卸等诸多问题。

3）卸料翻转

铁心重量重达好几吨，需要设计工装解决铁心重量从支撑轴转移并翻转问题。

4）退火

退火工艺曲线关乎退火成败，正空度、温升速度、分几个阶段升温、保温温度、保温时间、降温速度、充氮气时刻等多个参数都举足轻重。真空度不够，硅钢片表面将被氧化，升温速度过快硅钢片将产生应变，铁心变形，退火效果大打折扣，升温速度过慢则浪费能源增加费用，保温时间类同。

5）铁心拼装

将两半铁心拼合，中间设置油道，安装铁心拉板及夹件，安装支撑的木件，并用绿绑带捆扎为一体3。

AT供自耦变压器绕组结构变压器绕组结构大体上可以分为两类，层式绕组和饼式绕组。层式绕组又称为圆筒式绕组，其中应用最为广泛的是双层及多层圆筒式绕组，其结构简单，常用于35kV及以下的中小型油浸式变压器，构成整个绕组的材料及零部件有导线、厚纸筒、端绝缘、层绝缘、油道支撑、静电屏。虽然其制作简单，工艺性好，但端部支撑的稳定性不好，所有层式绕组，尤其是多层式绕组的雷电冲击性能好，在超高压变压器领域有所应用，但它的广泛应用受制于其轴向支撑的稳定性较差。饼式绕组包括连续式、纠结式、内屏蔽式、螺旋式以及更加复杂的交错式绕组，饼式绕组机械强度高，散热性好，在目前得到广泛的使用，其中的纠结式绕组和内屏蔽式绕组，可以增加绕组的纵向电容，改善绕组冲击电压的分布，冲击特性较好，适用于高电压等级的变压器。综合分析两种绕组结构，采用饼式绕组结构。

短路阻抗是变压器设计计算中的一个十分重要的参数，它的大小涉及到变压器的成本、效率、电压变化率、机械强度、短路电流大小等。对于大型变压器，短路阻抗的电阻分量所占的比重很小，所以短路阻抗的大小就由其电抗分量所决定。短路电抗主要由变压器的绕组布置方式、绕组连接方式所决定，而不同的绕组布置方式又决定了变压器的漏磁大小及分布规律，所以可以说短路电抗是由变压器的漏磁场大小及分布规律所决定的3。