基于卷铁芯变压器技术在轨道交通供电方面优势的讨论

王瑞清

（中铁第六勘察设计院集团有限公司电气化设计院分公司，天津300250）

敞开式立体卷铁芯干式变压器区别于传统环氧树脂干式变压器，采用阻燃型绝缘系统及VPI 真空压力浸漆工艺，结合立体卷铁芯结构，采用立体卷铁芯结构，相比于传统的铁芯结构，立体卷铁芯结构更加合理，优势明显：抗短路能力更强、空载损耗及空载电流更低、电场磁场强度低、噪音大幅度降低、三相平衡，主要性能指标均优于国内标准。区别于环氧树脂干式变压器，立体卷铁芯绕组采用NOMEXR+绝缘漆的绝缘系统，具有阻燃、耐冲击能力强、过载能力强、环保等优点。

因其轨道交通运行情况的特殊性，对牵引变压器的耐负荷冲击能力及过载能力提出新的挑战。同时随着国家高质量发展及轨道交通安全可靠运行要求的提高，对变压器产品防火、防爆等安全方面的要求也进一步提高。

传统的叠铁芯变压器采用环氧树脂绝缘，环氧树脂具有优异的电气性能和机械强度，广泛的应用于各种干式变压器。但与此同时，固化后的环氧树脂硬度大、韧性差，在轨道交通负荷频繁改变、短时冲击大的特殊工况下，存在开裂的隐患，这一点在实际应用中也曾出现过。另外，由于市场化竞争的原因，目前环氧树脂的质量存在参差不齐的情况，多为环保不达标且不阻燃的树脂，从而影响变压器整体的可靠性、阻燃性及环保特性。

从各个方面可以看出，作为轨道交通供电系统中重要组成设备，城市轨道交通领域对牵引整流变压器在安全可靠、节材、节能、环保等方面提出了更高的要求。（1）安全可靠方面：要求结构合理、散热良好、过载能力强、抗短路能力强、阻燃等级高。（2）节材方面：在保证基本功能和安全可靠的前提下，在设计、生产制造过程中尽量减少原材料的使用。（3）节能方面：在整个运行周期中相对目前变压器能耗需大幅降低。（4）环保方面：在整个运行周期中噪音低、电磁辐射小，寿命终期，主要部件可回收再利用，不可回收的材料处理方式应遵循尽量不危害环境的原则。目前，国内轨道交通中使用的变压器主要为叠铁芯结构的树脂浇注干式变压器。这种变压器多数采用硅钢材料的叠铁芯结构。叠铁芯结构由硅钢片叠积而成，硅钢片对接处形成气隙，气隙的磁阻很高，空载时的损耗和空载电流大增，噪音也比较大。硅钢片经过剪切、叠装过程后会影响磁畴的排列，同时导致空载损耗上升。套装式线圈套装时需保留包装间隙，而该缝隙的存在会使线圈的抗短路能力下降。运行过程中空载电流大，造成网络功率因数降低，无功补偿投入增加。另有小部分采用非晶合金材料的平面卷铁芯结构，非晶合金铁芯的优点是空载损耗低，缺点是抗短路能力差、噪音高。环氧树脂浇注干式变压器的线圈为环氧树脂浇注而成。这种结构的线圈存在如下缺点：a.用环氧树脂作为主要绝缘材料，难以降解。线圈回收需将树脂剖开，造成极大粉尘污染，且人工较高，不符合环保可再生要求。b.燃烧时产生大量有毒气体和浓烟。c.线圈被树脂包封，维修需将整个线圈剖开报废，再重新绕制。另外，目前应用于轨道交通的变压器损耗水平基本较低，运行过程中能耗大。相对于传统的叠铁芯干式变压器，敞开式立体卷铁芯干式变压器性能方面具有其特殊优势：

空载损耗：

1 损耗低

p0空载损耗;k0工艺系数;G 铁芯重量;Pt铁芯材料的单位损耗；经过计算空载损耗平均可下降25%以上。

1.2 由于特殊的三维立体结构，使铁芯的铁轭部分用材量比传统叠片铁芯减少25%，且减少的角重占铁芯总重约6%。

1.3 空载电流低

立体卷铁芯卷铁芯经高温、退火处理，不仅消除了铁芯的机械应力，而且细化了硅钢片的磁畴，提高了硅钢片二次再结晶能力，完全恢复硅钢磁性能。三相磁路无接缝，磁力线与铁芯材料及磁化方向完全一致。空载电流平均下降70%以上。

1.4 负载损耗下降

立体卷铁芯截面填充系数高，有效面积相同情况下，立体卷铁芯芯柱直径小，从而减少线圈导线长度，节约绕组线材。同时也可以降低负载损耗。负载损耗下降5%以上。

2 噪声低

由于卷铁芯是将硅钢片条料在专用的铁芯卷绕机上不间断、紧密连续卷制而成，没有接缝，不会产生如叠片式铁芯那样因磁路不连续而发出的噪声。同时，三相磁路、磁通完全对称，工作磁密设计合理，因而产品噪声大大降低。

3 周边电场磁场强度小（辐射小）

立体卷铁芯结构可大大降低变压器周围的杂散磁场。空间漏磁小，仅为传统结构变压器的一半，减少电磁辐射。

4 过载能力强

立体卷铁芯结构自身的发热量降低，卷铁芯变压器其空载损耗、空载电流都非常小，产品本身发热量就很低。

5 结构紧凑，占地小

立体铁芯使产品结构紧凑，布局合理，器身平面占地面积比传统产品减少10～15%，器身高度降低10～20%，若安装在箱式变电站中可缩小箱变体积近1/4。

6 磁路优化

6.1 卷铁芯层间没有接缝，磁路各处分布均匀，没有明显的高阻区，没有接缝处磁通密度的畸变现象。

6.2 三相磁路长度相等，三相磁路长度之和最短。

6.3 三相磁路对称，三相空载电流平衡。

7 铁芯散热优势

通过在立体卷铁芯内设置的散热通道，以循环的绝缘油或者冷却气体为立体卷铁芯降温。由于散热通道设置在铁芯柱的结合与卷铁芯元件的其中两层导磁带之间，散热通道与立体卷铁芯的接触面积大，并且散热通道截面大，通过的绝缘油或者冷却气体流量大，能迅速地带走立体卷铁芯的热量；同时，散热通道的布置合理、均匀，立体卷铁芯的散热均匀，避免了立体卷铁芯的局部高温而影响使用寿命。三相线圈呈“品”字形排列，在线圈间形成一条上下贯通的中芯天然气道-“抽风烟囱”，由于上下铁轭温差30～40度，产生强烈的空气对流，冷空气从下面往中芯通道补充，热量从上铁轭内斜面辐射出去，自然循环中迅速带走变压器产生的热量。

8 敞开式立体卷铁芯干式变压器防尘技术处理

敞开式立体卷铁芯干式变压器因线圈绝缘纸裸露在室外，需在线圈外侧加装防尘筒，以提高其防尘要求。

8.1 通过实地调研发现，一般轨道交通用变压器运行环境潮湿，污秽严重，易产生凝露现象，降低变压器绝缘强度，不利于变压器安全可靠运行。

8.2 不加防尘筒方案绕组平均温升设计值80K，那么在负载率50%下，绕组平均温升仅40K。实际运行中线圈下部的温度更低，线圈与铁心下部容易生产凝露现象。加装防尘筒方案温升设计值有所提高，有利于提高产品安全可靠性。

试验对比：

从运行案例和绝缘数据上看，常规产品的防尘效果卓越，完全满足项目要求。鉴于客户对设备运维提出更高要求，在变压器线圈外部加装绝缘防尘筒的方案。防尘筒包绕在线圈外部，线圈与防尘筒之间存在空气间隙。增加防尘筒能保证线圈和污秽物实现零接触，耐污秽能力优于树脂浇注产品，延长变压器运维周期，减少运维工作量。

利用目前的同相供电敞开式干变进行验证，试验结果表明，变压器增加防尘筒后绝缘性能更强，各项试验指标满足要求，但产品温升有所升高：

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通过试验数据对比，变压器增加防尘筒后，高压温升变化较大，低压温升变化不大。针对试验情况，对技术方案进行调整，使得高压温升和低压温升设计值均衡，均为105K。

设计寿命：

绝缘系统耐热等级为220℃，产品额定温升低至105K，额定负载时平均温度约为130℃，根据绝缘寿命计算公式Log time=7461/(℃+273)-10.4,主绝缘设计寿命远超合同要求100 年。

经技术及模拟实验对比立体卷铁芯结构变压器空载损耗平均可下降25%以上，空载电流平均下降70%以上，负载损耗下降5%以上，噪音平均降低10dB以上，泄露电磁场辐射强度降低50%；原材料使用方面：硅钢片用量减少25%以上，铜材用量减少5%～8%，可燃物用量减少80%以上。

前些年因技术不成熟，立体卷铁芯变压器在大容量变压器上不能发挥优势，而其特殊的生产工艺不适合工业化生产，但是随着技术的进步，这些技术难题已经被解决。综合而言，采用敞开式立体卷铁芯干式变压器结构的牵引整流变压器更加合适在城市轨道交通领域使用，其结构特点更能应对城市轨道交通牵引整流变压器的运行工况，同时符合轨道交通安全、绿色的发展理念，将会是轨道交通牵引整流变压器的发展方向。满足轨道交通运行工况的要求。