立体三角形卷铁心配电变压器的节能
导语：通过近两年的挂网运行，三角形卷铁心变压器运行状况良好，完全达到了设计要求
1、引言 目前，我国使用的配电变压器绝大部分是传统的叠铁心变压器，型号多为S9型，甚至还有S7、SJ7型。近几年，S11 型变压器在城乡屯网建设和改造中得到推广应用，产生了很好的节能效果，但是由于材料价格的迅猛增长使它的经济优势并不明显。因此，提供更加节能、节材和环保的产品是变压器制造业的当务之急。立体三角形卷铁心变压器突破了传统的平面形结构，克服了结构缺陷，带来了一系列的技术和经济优势：结构更合理，性能史优良，制造成本降低明显，既符台电力行业节能的要求，又符合制造企业的成本、质量目标。 2、铁心结构的创新 传统的带空气气隙的叠铁心，A—C相之间的耦合磁路，显然要比A—B相、B—C相的磁路长1/2，因而磁路不平衡，A—C相的磁阻较大大（见图1）。当将三相电压施加到变压器上后，铁心便产牛三相平衡的磁通φA、φB、φC，三相平衡的磁通经过不平衡的磁路时，A、c相的磁压降大，影响三相电压的平衡。这种磁回路上的不平衡对于平面形变压器来说是无法克服的结构缺陷。 [ALIGN=CENTER]
图1 平面形铁心结构[/ALIGN] 从原理上分析，三相变压器的磁路完全对称结构最理想，这在变压器发明之初就被认识，只是因为技术原因一直没能实现工业化生产。随着卷铁心变压器工艺的不断成熟，当我们使用立体思维，把3个等长磁路的几何方框特点考虑进去，就构造出个对称的立体三角形卷铁心结构：采用3只相同的单框，每框的截面为半圆形，截面上的直径与心柱中心连线的夹角成准确的30°，把3个框组合在一起，心柱的截面成一个整圆，而铁轭的截面为半圆形，3个心柱呈等边立体三角形立体布置（见图2）。 [ALIGN=CENTER]
图2 立体角形铁心布置及单框[/ALIGN] 3、与平面叠铁心的技术比较 铁心结构和制造工艺的改变，使立体三角彤卷铁心变压器与传统平面叠铁心变压器技术上有根大小同。 1）铁心框由很少的几根硅钢带连续地卷绕而成，无接缝、无空气间隙；每个框都是封闭形磁路导体，能充分发挥冷轧硅钢片的取向性能，所以空载性能提高明显。尤其空载电流中尤功分量降低明显，可以提高功率因数，改善电网供电质量。 2）铁心绕制紧密，不用夹紧，叠片系数高，噪声降低明显，符合环保要求。以200 kVA为例，经权威部门检测，立体三角形卷铁心变压器样机只有33.6dB，平面叠铁心变压器样机为51 dB，而国标要求为54dB。 3）A——C相间的磁路变短，达到与A—B相、B—C相等长且最短布置，实现了三相磁路的完全对称，保证三相电压平衡。 4）3个框磁通自成回路彼此互不影响，3次谐波磁通可以在各自框中自由的流通，心柱中的合成磁通品质优于平而形铁心。 5）卷铁心截而形式多样，可足阶梯形、纯圆形、多边形或由多边形和一段圆弧形组合存一起的“复合形”（见图3），而叠铁心截面只能是阶梯形，所以卷铁心心柱截面圆内的空间填充系数比叠铁心高4%—6%。 [ALIGN=CENTER]
图3 铁心截面形式[/ALIGN] 6）卷铁心横剪“V”口时产生废料，硅钢片利用率最高95%，当卷铁心截面是多边形时，硅钢片的截剪利用率高达100%。 7）生产机械化程度高，不需要叠铁心的横剪、人工叠片、拆插铁轭等手工操作，减少5～6道工序，质量易控制。 4、节能分析 （1）空载性能的节能分析 使用相同材质的铜线、硅钢带，在铁心直径相同、成本接近的情况下，设计加工315 kVA立体三角形卷铁心、叠铁心变压器各一台，进行性能和成本比较（见表1）。可见三角形卷铁心变压器的空载损耗下降约30％．主要原因如下。 [ALIGN=CENTER]表1 315 kVA平面叠铁心与三角形卷铁心变压器主要材料及性能比较
[/ALIGN] 1）铁心重量减轻，铁心空载损耗会降低。这由空载损耗计算公式即可看出
式中，
是铁心的单位重量损耗，由磁通密度
决定；
是工艺系数；G是铁心总重量。 2）两方面原因使空载损耗工艺系数
降低：铁心框由硅钢带连续地卷绕而成，无接缝、无卒气间隙，比叠铁心更能充分发挥冷轧硅钢片的取向性：铁心采用完全退火工艺，能彻底消除机械加工中产生的内应力，使硅钢片原有导磁性能得到恢复，无高磁阻区存在。据统计计算，立体三角形卷铁心丁艺系数
可以达到1.05～1.1，而叠铁心工艺系数
为1.15～1.3。 变压器的空载损耗是与负荷大小无关的固定值，只要通电就会发生，足常年累月的损耗。空载损耗下降约30％，对供电部门来说就是降低了成本，对国家来说就是节约了能耗。如以我围年均生产配电变口：器约2.4亿kVA，每台变压器200 kVA计算，年产120万台。全部采用SJ1型三角形卷铁心变压器，比采刚S9平面叠铁心变压器降低空载损耗18万kW，一年可节约用电15.48亿kW•h，相应的可以节省线路损耗及发电设备的投入。同时，空载电流下降75％，可以节省无功补偿设备的投入。 （2）变压器材料节约分析 使刚相同材质，在铁心有效而积、窗口等参数相同的情况下，进行相同性能水平的立体三角形卷铁心变压器与平面形叠铁心变压器比较如下。 1）铁心材料的节约三角形卷铁心AC间磁路在铁轭部分较平面形铁心缩短1/2，而轭的面积是每相柱截面的1/2，所以铁轭部分的重量减轻1/4。铁轭与心柱的重量比一般为2：3，所以铁心的总重量理论应减轻约10％；卷铁心没有多余的角部重量，又比平面叠铁心轻约5％。另外，硅钢带裁剪利用率比叠铁心高5％。所以参数相同的情况下，立体三角形卷铁心比叠铁心节省硅钢带累计约20％。 2）综合成本的降低变压器性能水平相同，空载损耗
标准值一样。三角形卷铁心变压器铁心重量G和工艺系数
变小，根据公式（1），可以适当提高铁心的磁通密度
，使铁心的单位重量损耗
增大，保持空载损耗
不变。由电磁计算公式
式中，相电压u和频率f一定，w是线圈匝数，
是铁心的磁通密度，s是通过磁通心柱有效面积。 可知，线圈匝数w与磁通密度
成反比，所以提高磁通密度
，可以减少导线匝数w，节约铜线用量。 另外，卷铁心心柱截面圆内的空间填充系数比叠铁心高4％～6％，有效面积S相同时，卷铁心的直径会小于叠铁心直径2％～3％，可以使铜周长变短，用量降低，使整台变压器的成本进一步降低。 所以变压器设计时，根据产品容量大小不同，平衡考虑外接圆内的填充系数、裁剪的材料利用率以及铜材和硅钢带的单价比，选择不同截面形式以使变压器的综合成本最低。S11型平面叠铁心与三角形卷铁心变压器的材料比较见表2。 [ALIGN=CENTER]表2 S11型平面叠铁心与三角形卷铁心变压器主要材料比较
[/ALIGN] 可见，S11型三角形卷铁心变压器与S9型平面叠铁心变压器成本接近，而比S11型平面叠铁心变压器铁心重量平均下降14.13％，铜材平均下降14.49％。节材效果显著，可以节省大量的国家资源和能源消耗。在当前原材料价格居高不下的时候，它的优势应该得到社会重视。 （3）卷铁心变压器的防盗性 防止变压器的失窃就是在节约社会资源，叠铁心变压器由于技术上的原因而易于失窃，盗窃方式是将变压器油箱与器身分离，拆开器身的紧固件将变压器的硅钢片敲落。此时变压器的3个绕组与硅钢片当即分离，就可以将铜线等有价值的材料窃取运走。 由于卷铁心变压器的铁心是一个整体，盗贼根本不可能把它敲散，线圈就不易取下来。由于重量原因，盗贼要把整体铁心和线圈搬走是相当困难的。即使整体盗走了，也不容易将硅钢片和铜线分离，所以卷铁心变压器具有较好的防盗性。 5、结论 通过近两年的挂网运行，三角形卷铁心变压器运行状况良好，完全达到了设计要求，具有节能节材，低噪声，绿色环保等优点，符合我国电力工业科技进步与创新的要求，足城乡配电嘲发展的技术方向，有广阔的应用前景。
图1 平面形铁心结构[/ALIGN] 从原理上分析，三相变压器的磁路完全对称结构最理想，这在变压器发明之初就被认识，只是因为技术原因一直没能实现工业化生产。随着卷铁心变压器工艺的不断成熟，当我们使用立体思维，把3个等长磁路的几何方框特点考虑进去，就构造出个对称的立体三角形卷铁心结构：采用3只相同的单框，每框的截面为半圆形，截面上的直径与心柱中心连线的夹角成准确的30°，把3个框组合在一起，心柱的截面成一个整圆，而铁轭的截面为半圆形，3个心柱呈等边立体三角形立体布置（见图2）。 [ALIGN=CENTER] 图2 立体角形铁心布置及单框[/ALIGN] 3、与平面叠铁心的技术比较 铁心结构和制造工艺的改变，使立体三角彤卷铁心变压器与传统平面叠铁心变压器技术上有根大小同。 1）铁心框由很少的几根硅钢带连续地卷绕而成，无接缝、无空气间隙；每个框都是封闭形磁路导体，能充分发挥冷轧硅钢片的取向性能，所以空载性能提高明显。尤其空载电流中尤功分量降低明显，可以提高功率因数，改善电网供电质量。 2）铁心绕制紧密，不用夹紧，叠片系数高，噪声降低明显，符合环保要求。以200 kVA为例，经权威部门检测，立体三角形卷铁心变压器样机只有33.6dB，平面叠铁心变压器样机为51 dB，而国标要求为54dB。 3）A——C相间的磁路变短，达到与A—B相、B—C相等长且最短布置，实现了三相磁路的完全对称，保证三相电压平衡。 4）3个框磁通自成回路彼此互不影响，3次谐波磁通可以在各自框中自由的流通，心柱中的合成磁通品质优于平而形铁心。 5）卷铁心截而形式多样，可足阶梯形、纯圆形、多边形或由多边形和一段圆弧形组合存一起的“复合形”（见图3），而叠铁心截面只能是阶梯形，所以卷铁心心柱截面圆内的空间填充系数比叠铁心高4%—6%。 [ALIGN=CENTER] 图3 铁心截面形式[/ALIGN] 6）卷铁心横剪“V”口时产生废料，硅钢片利用率最高95%，当卷铁心截面是多边形时，硅钢片的截剪利用率高达100%。 7）生产机械化程度高，不需要叠铁心的横剪、人工叠片、拆插铁轭等手工操作，减少5～6道工序，质量易控制。 4、节能分析 （1）空载性能的节能分析 使用相同材质的铜线、硅钢带，在铁心直径相同、成本接近的情况下，设计加工315 kVA立体三角形卷铁心、叠铁心变压器各一台，进行性能和成本比较（见表1）。可见三角形卷铁心变压器的空载损耗下降约30％．主要原因如下。 [ALIGN=CENTER]表1 315 kVA平面叠铁心与三角形卷铁心变压器主要材料及性能比较 [/ALIGN] 1）铁心重量减轻，铁心空载损耗会降低。这由空载损耗计算公式即可看出 式中，是铁心的单位重量损耗，由磁通密度决定；是工艺系数；G是铁心总重量。 2）两方面原因使空载损耗工艺系数降低：铁心框由硅钢带连续地卷绕而成，无接缝、无卒气间隙，比叠铁心更能充分发挥冷轧硅钢片的取向性：铁心采用完全退火工艺，能彻底消除机械加工中产生的内应力，使硅钢片原有导磁性能得到恢复，无高磁阻区存在。据统计计算，立体三角形卷铁心丁艺系数可以达到1.05～1.1，而叠铁心工艺系数为1.15～1.3。 变压器的空载损耗是与负荷大小无关的固定值，只要通电就会发生，足常年累月的损耗。空载损耗下降约30％，对供电部门来说就是降低了成本，对国家来说就是节约了能耗。如以我围年均生产配电变口：器约2.4亿kVA，每台变压器200 kVA计算，年产120万台。全部采用SJ1型三角形卷铁心变压器，比采刚S9平面叠铁心变压器降低空载损耗18万kW，一年可节约用电15.48亿kW•h，相应的可以节省线路损耗及发电设备的投入。同时，空载电流下降75％，可以节省无功补偿设备的投入。 （2）变压器材料节约分析 使刚相同材质，在铁心有效而积、窗口等参数相同的情况下，进行相同性能水平的立体三角形卷铁心变压器与平面形叠铁心变压器比较如下。 1）铁心材料的节约三角形卷铁心AC间磁路在铁轭部分较平面形铁心缩短1/2，而轭的面积是每相柱截面的1/2，所以铁轭部分的重量减轻1/4。铁轭与心柱的重量比一般为2：3，所以铁心的总重量理论应减轻约10％；卷铁心没有多余的角部重量，又比平面叠铁心轻约5％。另外，硅钢带裁剪利用率比叠铁心高5％。所以参数相同的情况下，立体三角形卷铁心比叠铁心节省硅钢带累计约20％。 2）综合成本的降低变压器性能水平相同，空载损耗标准值一样。三角形卷铁心变压器铁心重量G和工艺系数变小，根据公式（1），可以适当提高铁心的磁通密度，使铁心的单位重量损耗增大，保持空载损耗不变。由电磁计算公式 式中，相电压u和频率f一定，w是线圈匝数，是铁心的磁通密度，s是通过磁通心柱有效面积。 可知，线圈匝数w与磁通密度成反比，所以提高磁通密度，可以减少导线匝数w，节约铜线用量。 另外，卷铁心心柱截面圆内的空间填充系数比叠铁心高4％～6％，有效面积S相同时，卷铁心的直径会小于叠铁心直径2％～3％，可以使铜周长变短，用量降低，使整台变压器的成本进一步降低。 所以变压器设计时，根据产品容量大小不同，平衡考虑外接圆内的填充系数、裁剪的材料利用率以及铜材和硅钢带的单价比，选择不同截面形式以使变压器的综合成本最低。S11型平面叠铁心与三角形卷铁心变压器的材料比较见表2。 [ALIGN=CENTER]表2 S11型平面叠铁心与三角形卷铁心变压器主要材料比较[/ALIGN] 可见，S11型三角形卷铁心变压器与S9型平面叠铁心变压器成本接近，而比S11型平面叠铁心变压器铁心重量平均下降14.13％，铜材平均下降14.49％。节材效果显著，可以节省大量的国家资源和能源消耗。在当前原材料价格居高不下的时候，它的优势应该得到社会重视。 （3）卷铁心变压器的防盗性 防止变压器的失窃就是在节约社会资源，叠铁心变压器由于技术上的原因而易于失窃，盗窃方式是将变压器油箱与器身分离，拆开器身的紧固件将变压器的硅钢片敲落。此时变压器的3个绕组与硅钢片当即分离，就可以将铜线等有价值的材料窃取运走。 由于卷铁心变压器的铁心是一个整体，盗贼根本不可能把它敲散，线圈就不易取下来。由于重量原因，盗贼要把整体铁心和线圈搬走是相当困难的。即使整体盗走了，也不容易将硅钢片和铜线分离，所以卷铁心变压器具有较好的防盗性。 5、结论 通过近两年的挂网运行，三角形卷铁心变压器运行状况良好，完全达到了设计要求，具有节能节材，低噪声，绿色环保等优点，符合我国电力工业科技进步与创新的要求，足城乡配电嘲发展的技术方向，有广阔的应用前景。 文章来源于《节能创新2006——首届全国电气节能大赛论文集》
