立体卷铁芯变压器的节能分析

本文主要研究了电力变压器立体卷铁芯的特点。把平面叠铁芯和立体卷铁芯在结构、工艺、电磁等方面进行了对比分析，结果表明，立体卷铁芯变压器具有空载电流小、空载损耗低、运行噪音低、节约材料的优点。因此，立体卷铁芯变压器具有明显的节能优势和广阔的应用前景。

2014年，工业和信息化部，质检总局决定组织实施全国配电变压器能效提升计划。按照新标准，我国在网运行的配电变压器，绝大多数都不是高效能的，推广高效节能变压器势在必行。

从某种意义上说，铁芯节能技术的开发是配电变压器高效节能的核心。本文通过对立体卷铁芯与叠铁芯的对比分析，探讨立体卷铁芯配电变压器的节能优势。

1  立体卷铁芯的发展历程

配电变压器的发展经历了一百多年的历史，铁芯技术不断优化促进了变压器性能提升和改善。我国在20世纪60年代开始研制立体结构的变压器，但限于材料和技术原因，到20世纪90年代末，国内才研发出结构合理、性能满足的立体卷铁芯配电变压器变压器。目前，全球首台最大容40000kVA卷铁芯变压器由特变电工衡阳变压器有限公司与广东海鸿有限公司合作研制成功，实现了立体卷铁芯变压器的又一次突破。

2  叠铁芯与立体卷铁芯

2.1  叠铁芯与立体卷铁芯结构对比

叠铁芯通常是三相三柱式结构，是由三个芯柱及上下铁轭组成的平面布置型结构。立体卷铁芯是拼立式结构，由三个尺寸完全相同的铁芯单框组成，拼合后的三个铁芯柱上截面呈等边三角形，如图1。

由图可知：一般叠铁芯芯柱截面和铁轭截面相等，立体卷铁芯的铁轭截面小于芯柱截面。立体卷铁芯的铁轭重量为六个半轭重，叠片式为四个全轭重，在同等情况下立体卷铁芯轭重比叠铁芯轻大约25%。同时，立体卷铁芯柱轭为圆弧过渡，叠铁芯为90°直角过渡，进一步减少了立体卷铁芯的重量。综上所述，立体卷铁芯具有重量轻，体积小的优点。据数据记载，相同参数下立体卷铁芯与叠铁芯相比，铁芯重量下降约18%变压器，现以100kVA和400kVA两种容量变压器为例，做进一步对比分析，见表1变压器。

表1  相同参数下立体卷铁芯与叠铁芯的质量对比

2.2  叠铁芯与立体卷铁芯工艺对比

平面叠铁芯是由纵剪生产线和横剪生产线，将硅钢带加工成一定形状的硅钢片，再将硅钢片按一定方式叠成变压器。叠铁芯横截面呈阶梯型。立体卷铁芯的每个单框由经开料机曲线剪切开料形成的若干根硅钢带薄片连续卷绕而成，卷绕后呈梯形状，每个单框横截面接近半圆形，整装拼合后的横截面呈接近整圆的准多边形，铁芯截面见图2。

从工艺方面来说，立体卷铁芯相较于叠铁芯有以下三点优势：

1、无废料加工：叠铁芯为了增强机械强度，在制作过程中采用不断轭铁芯片，其铁轭片在生产过程中需要在中柱位置冲V形角，冲出的V形角就是产生的硅钢片废料；而立体卷铁芯用开料机将每段硅钢片一分为二成相同尺寸的梯形料带，加工套裁后直接卷绕呈梯形，这种开料技术达到了无废料加工，材料利用率100%。

2、填充系数高：叠铁芯的芯柱截面积呈梯形状，截面填充系数为0.89~0.925变压器。立体卷铁芯芯柱横截面呈接近整圆形的准多边形，截面填充系数可达0.95~0.97变压器，大大提高了填充系数。

3、可机械化生产和产品稳定性高：由于叠铁芯本身结构设计的局限性，其叠装工艺采用人工叠片，增加了制作的成本和时间，产品质量参差不齐。立体卷铁芯采用专用设备卷制，卷绕更紧密结实，其标准化的流水线生产不仅减少了手工操作带来的不稳定性，也提高了生产的效率。

2.3  叠铁芯与立体卷铁芯电磁分析

三相变压器的磁路可以归纳为两种类型:（1）各相磁路回路彼此相关联（2）各相磁路彼此独立互不影响。

通过电磁分析，两种变压器铁芯磁通分布和相量图如图3。

立体卷铁芯的磁通分布归为（2）类。A-B，A-C，B-C三相之间的耦合磁路一致且最短，磁路和磁通都分别平衡。三相电压施加到变压器时，产生的磁压降一致，励磁电流平衡。

3  立体卷铁芯变压器性能优势

立体卷铁芯变压器铁芯结构的优化设计，必然会改善和提高整个变压器产品性能。归纳为以下四点优势。

3.1  空载损耗低

由空载损耗计算公式P0=K1P1G变压器,
式中：P1—铁芯硅钢片单位损耗（W/kg)：
      G—铁芯总重量（kg）；
      K1—空载损耗工艺附加系数。

对于某一给定的硅钢片而言，在一定频率下,

K1取决于材质和制造工艺,这两个数据均可由查表得。由公式可知：变压器空载损耗与铁芯的重量成正比，结合2.1，同等情况下立体卷铁芯重量比叠铁芯减少18%左右，因此立体卷铁芯变压器的空载损耗也大大降低。

3.2  空载电流小

叠铁芯变压器的铁芯叠装有接缝，形成了许多空气隙，局部地方的磁路方向和硅钢片导磁方向不一致，使叠铁芯的损耗和空载电流增大。

立体卷铁芯由专门的铁芯卷制机卷绕，压力均匀紧实，没有接缝，且制作过程中退火工艺消除机械应力，使硅钢片晶格重新取向，提高导磁率，恢复了卷铁芯原有的磁性能，空载电流大大降低。

空载电流计算公式：
：空载电流无功分量（%）；
：空载电流有功分量（%）。

空载电流有功分量计算公式：
：变压器空载损耗（W）；
：变压器额定容量（kVA）。
空载电流无功分量计算公式：

：铁芯柱重量（kg）；
：铁轭重量（kg）；
：铁芯角重重量(kg）；
：铁芯转角部分励磁电流增加系数；
：铁芯柱净截面（cm2)；
：铁芯接缝总数；
：铁芯单位磁化容量（VA/kg）；
：接缝磁化容量（VA/cm2）；
：额定容量（kVA）。

由上述公式变压器分析：立体卷铁芯没有接缝和角重，总重量比叠铁芯轻，空载损耗比叠铁芯小，故空载电流远远小于叠铁芯。

3.3  运行噪音低

变压器本体噪音水平的高低，已成为衡量各制造厂设计能力和生产水平的重要指标之一。叠铁芯硅钢片接缝处和叠片之间不够紧密，变压器在运行过程中容易在电磁力的作用下产生振动。立体卷铁芯是由专用设备拉紧绕制，卷片紧实可靠，致使片材振幅下降，根据计算，立体卷铁芯约比叠铁芯噪声下降7~10分贝。

3.4  节约材料

立体卷铁芯变压器节材是从硅钢片，铜材，油以及油箱四个方面改善。

1、硅钢片和铜材：立体卷铁芯芯柱内圆面积的填充系数比叠铁芯高4%~6%。在有效面积相同时，立体卷铁芯芯柱直径会小于叠铁芯。结合第2.2中无废料加工及重量轻的特点，立体卷铁芯比叠铁芯平均节约23%材料，线圈导线长度减少2%~3%变压器。

2、油和油箱：立体卷铁芯直径和线圈尺寸小，在装配变压器过程中，注入变压器油和油箱制作的材料也相应减少。

4  立体卷铁芯变压器前景优势

在我国实施的配电变压器能效提升计划中，多次提及坚持过程节能和产品节能相结合的原则。立体卷铁芯变压器符合这个原则，具有低损耗，低成本，低噪音，节能节材等优点。提高了输电质量和供电的可靠性，是有利于环保的绿色节能设备，它的使用，给电力企业和非电力企业都带来了巨大的经济效益。立体卷铁芯变压器在配电变压器中已然成为了主流产品。

5  结论

随着铁芯技术日益成熟，工艺不断完善，立体卷铁芯的节能优势和经济优势将更加突出，与传统叠铁芯相比具有很大的竞争力和发展。