一、綜述
眾所周知，電力變壓器是電力網(wǎng)中輸送電能的主要電氣設(shè)備，但同時(shí)其自身也是耗能大戶。
變壓器的總損耗主要由空載損耗和負(fù)載損耗組成，要占到系統(tǒng)發(fā)電量的10%左右，按2014年全國發(fā)電量5.4萬億千瓦時(shí)測算，每降低變壓器1%的損耗，全年即可減少近60億度電的電能損失。從變壓器的損耗評(píng)價(jià)值看，空載損耗評(píng)價(jià)值要達(dá)到負(fù)載損耗評(píng)價(jià)值的2~3倍，因此，降低變壓器空載損耗，加快節(jié)能型變壓器的研制工作，在當(dāng)前推進(jìn)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)和能源生產(chǎn)革命，保障我國長久能源安全的國策背景下，意義重大。
我國政府和變壓器制造業(yè)及原材料制造業(yè)，對(duì)產(chǎn)品節(jié)能工作一直是較為重視的。上世紀(jì)80年代中期，就在全國范圍內(nèi)強(qiáng)制性的以s7型系列低損耗配電變壓器淘汰了還在電網(wǎng)運(yùn)行的按jb1300-73和jb500-64彼岸準(zhǔn)制造的高能耗配電變壓器。從1998年開始，實(shí)行兩網(wǎng)改造，以s9型系列配電變壓器取代s7型系列配電變壓器。這兩次大規(guī)模的更新?lián)Q代，產(chǎn)品空載損耗約降低8%~15%，至今，s11型系列配電變壓器已是市場主導(dǎo)產(chǎn)品。但這種形式的產(chǎn)品更新?lián)Q代，并非變壓器電磁理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有任何突破，二是變壓器制造的主要材料—取向硅鋼制造技術(shù)的不斷發(fā)展，各項(xiàng)性能參數(shù)特別是鐵損值參數(shù)的不斷優(yōu)化帶來的必然結(jié)果?？梢哉J(rèn)為，變壓器空載損耗水平的高低，污水處理設(shè)備主要還是由硅鋼材料的性能決定的。
取向硅鋼制造技術(shù)發(fā)展很快，但時(shí)至，每降低0.1w鉄損值的技術(shù)難度越來越大，制造成本也越來越高。因此，尋找新的軟磁替代材料或?qū)ψ儔浩鹘Y(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行創(chuàng)新，已成為提高變壓器節(jié)能效果的一種新的思路和解決方案。
上世紀(jì)70年代開發(fā)研制并在近10年獲得推廣應(yīng)用的非晶合金變壓器，就是通過材料創(chuàng)新以非晶合金新材料替代傳統(tǒng)取向硅鋼實(shí)現(xiàn)變壓器節(jié)能效果的一種解決方案。非晶合金變壓器雖然具有超低空載損耗的優(yōu)勢，但由于非晶合金固有的一些特性，決定了非晶合金變壓器極難解決器身易失穩(wěn)、鐵心機(jī)械強(qiáng)度薄弱、抗短路能力不足、噪聲增大和空載損耗回升的弊端。也因此，非晶合金變壓器只能在10kv級(jí)配電網(wǎng)中獲得應(yīng)用。
卷鐵心變壓器其鐵心采用傳統(tǒng)取向硅鋼帶連續(xù)卷制而成，磁路連續(xù)緊密無氣隙，是一種通過對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行創(chuàng)新，在基本不增加制造成本的前提下，實(shí)現(xiàn)降低變壓器空載損耗，提高節(jié)能效果的另一種解決方案。因受制于材料、鐵心結(jié)構(gòu)、工藝和生產(chǎn)設(shè)備配套等因素，直至20世紀(jì)初，立體結(jié)構(gòu)的卷鐵心變壓器才逐漸進(jìn)入快速發(fā)展的商業(yè)化生產(chǎn)階段。雖然目前卷鐵心變壓器主要僅應(yīng)用在10kv級(jí)配電網(wǎng)中，但通過結(jié)構(gòu)和工藝創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)變壓器降低空載損耗的思路，無論是理論驗(yàn)算還是我們成功研發(fā)220kv牽引變壓器的實(shí)例，都證明了卷鐵心變壓器在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)推廣應(yīng)用是完全可行的。
二、卷鐵心結(jié)構(gòu)牽引變壓器的研發(fā)
牽引供電系統(tǒng)是指鐵路從電網(wǎng)引入220kv、110kv電源，通過牽引變電所降壓到27.5kv（電氣化鐵路）或35kv（城市地鐵）送至電力機(jī)車的整個(gè)供電系統(tǒng)。牽引變壓器是將三相電力系統(tǒng)的電能傳輸給二個(gè)各自帶負(fù)載的單相牽引線路。二個(gè)單相牽引線路分別給上、下電力機(jī)車供電。所以，牽引變壓器就是用作三相變二相的變壓器，是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中重要的電能變送設(shè)備。
牽引變壓器是一種特殊電壓等級(jí)的電力變壓器，具有牽引負(fù)荷變化劇烈、外部短路頻繁、長期空載運(yùn)行的特點(diǎn)。隨著我國電氣化鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，對(duì)牽引變壓器的絕緣可靠性、過負(fù)荷性能、抗短路能力、空載損耗等性能參數(shù)指標(biāo)也提出了更高的要求。
2013年6月常州太平洋電力設(shè)備（集團(tuán)）有限公司與西南交通大學(xué)和中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司正式承擔(dān)了中國鐵路總公司《牽引供電安全服役技術(shù)研究——電氣化鐵路節(jié)能型牽引變壓器研制》的課題實(shí)施任務(wù)。
課題研制產(chǎn)品為qys-r-（31500+25000）/220牽引變壓器，用于山西中南通道重載電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，主要技術(shù)指標(biāo)是：
（1）高壓220±2×2.5%kv、低壓2×27.5kv；
（2）2個(gè)單相共箱結(jié)構(gòu)形式，聯(lián)結(jié)組別為vx接線，一相額定容量31500kva,總?cè)萘?/span>56500kva;
(3)具備能承受牽引網(wǎng)近端和遠(yuǎn)端不少于70次/年頻繁短路的能力，穩(wěn)態(tài)短路電流下，熱穩(wěn)定能力2s內(nèi)不應(yīng)造成變壓器任何熱損傷；
（4）在暫態(tài)短路電流峰值下，動(dòng)穩(wěn)定能力0.25s內(nèi)不應(yīng)造成變壓器任何機(jī)械損傷；
（5）短路后繞組熱點(diǎn)溫度不超過250℃；
（6）空載損耗低于42kv;
（7）噪聲不超過62db
為實(shí)現(xiàn)課題目標(biāo)，經(jīng)過理論分析并結(jié)合我們已有的卷鐵心制造經(jīng)驗(yàn)，確定研制產(chǎn)品采用卷鐵心結(jié)構(gòu)，2臺(tái)單框雙柱式鐵心并列布置，每臺(tái)單框雙柱式鐵心由兩個(gè)截面為半圓形的單體鐵心拼合而成，拼合面形成散熱油道，每個(gè)單體鐵心采用硅鋼料帶連續(xù)卷制方式加工成型；繞組采用雙框并聯(lián)方式，每柱高壓繞組各設(shè)2個(gè)分接區(qū)，共4個(gè)分接區(qū)，以降低突發(fā)短路時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)力，提高變壓器耐受短路的能力，調(diào)壓采用兩只單相開關(guān)進(jìn)行聯(lián)調(diào)。單體鐵心的制造與線圈繞制的成功與否，就成為卷鐵心牽引變壓器是否能研制成功的關(guān)鍵。
單體鐵心的制造主要解決兩個(gè)問題，一是硅鋼材料的選用，二是鐵心退火工藝的確定。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，綜合考慮硅鋼材料的單位鉄損、導(dǎo)磁能力、絕緣漆膜耐熱溫度、退火溫度、抗拉強(qiáng)度等性能參數(shù)因素后，確定采用23zh090取向硅鋼片作為鐵心制作的基材。硅鋼料帶剪切時(shí)會(huì)對(duì)料帶邊緣部分的晶格取向形成紊亂破壞，同時(shí)卷鐵心在卷制時(shí)，因受外力作用而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，由于這兩大因素影響，造成硅鋼料帶單位鐵損值急劇增加，需要進(jìn)行退火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力恢復(fù)硅鋼料帶原有的單位鐵損值等性能參數(shù)。大噸位的鐵心退火工藝全無先例，主要難點(diǎn)是在升溫和降溫過程中鐵心內(nèi)、外部溫差值的測量和控制問題如何解決。經(jīng)過多次反復(fù)測算和論證，通過建立鐵心體受熱和散熱的平衡關(guān)系，并對(duì)熱功能進(jìn)行測量和控制，使大噸位鐵心的退火一次成功，從制造源頭保證了成品空載損耗已處于可控范圍，解決了卷鐵心結(jié)構(gòu)的牽引變壓器能否試制成功的一大關(guān)鍵問題。
同樣，由于每柱3只線圈加絕緣件總重已達(dá)到8噸多，且必須在鐵心心柱上直接繞制，傳統(tǒng)線圈繞制工藝和現(xiàn)有設(shè)備傳動(dòng)結(jié)構(gòu)都無法滿足要求，經(jīng)多次樣件試?yán)@，終我們獨(dú)創(chuàng)并成功實(shí)施了在鐵心心柱上采用立式工位繞制線圈的全新工藝，解決了卷鐵心牽引變壓器能否試制成功的另一大關(guān)鍵問題。
經(jīng)過1年多的研發(fā)，全球首臺(tái)電壓等級(jí)達(dá)到220kv，容量為56500kva的卷鐵心結(jié)構(gòu)的牽引變壓器于2014年12月在變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心一次性通過了全套型式試驗(yàn)及短路承受能力試驗(yàn)、過負(fù)荷能力試驗(yàn)等特殊試驗(yàn)。部分實(shí)測數(shù)據(jù)：空載損耗32.4kv、噪聲47db（聲壓級(jí)）、短路試驗(yàn)阻抗變化率小于0.1%。實(shí)測數(shù)據(jù)反映，至少在降低變壓器空載損耗和噪聲、提高抗短路能力這三方面，卷鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器與常規(guī)疊片式變壓器相比，優(yōu)勢極其明顯，而且這種優(yōu)勢是在基本不增加制造成本，對(duì)材料無特殊要求，僅通過對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行創(chuàng)新獲得的，
以上我們簡述了卷鐵心結(jié)構(gòu)的牽引變壓器在研制過程中的一些關(guān)鍵問題和解決措施，其中對(duì)硅鋼材料而言，常規(guī)取向硅鋼材即能滿足卷鐵心加工要求了，但如能在以下幾個(gè)方面有改進(jìn)，則能更好地發(fā)揮卷鐵心結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，更能提高卷鐵心變壓器的性能參數(shù)指標(biāo)：
（1）料帶厚度：鐵心采用疊積工藝制造時(shí)，片厚在0.27~0.35比較合適，片子太薄疊片比較困難。但鐵心采用卷制工藝制造時(shí)，則片厚在0.23及以下比較合適，偏薄的片子卷制時(shí)越緊密。
（2）表面涂層的耐熱度和附著力：目前硅鋼材料的表面涂層的耐熱度和附著力是能夠滿足卷鐵心加工要求的，但考慮到鐵心卷制時(shí)料帶表面施加0.6mp的壓緊力和退火時(shí)820℃左右的高溫，因此要求表面涂層的耐熱度和附著力性能參數(shù)穩(wěn)定可靠，否則容易損傷料帶。
（3）線圈直接在鐵心上繞制，可不再考慮套裝裕度尺寸，縮小線圈尺寸，降低制造成本。但由于心柱有波浪形變形，實(shí)際套裝裕度仍然沒有能取消。卷鐵心制造時(shí)，退火工序是不可或缺的，如果通過材料改良能夠去除退火工序，或者采用其他工藝替代“退火”工藝，則將是卷鐵心變壓器制造上的一次革命，我們?cè)敢馀c材料廠家共同進(jìn)行這方面的探索。
三、卷鐵心變壓器市場前景
1、配電變壓器市場
配電變壓器市場是卷鐵心變壓器的應(yīng)用市場。至2020年，變壓器產(chǎn)量每年約為18億kva,按照總量的40%為10kv配電變壓器計(jì)，配電變壓器每年市場容量為7.2億kva，預(yù)計(jì)其中15%采用卷鐵心變壓器，則平均每年的卷鐵心配電變壓器市場容量將達(dá)到1億kva以上，市場規(guī)模將達(dá)到50~80個(gè)億。
2、35kv及以上電力變壓器市場
35kv級(jí)卷鐵心變壓器目前產(chǎn)量較少，處于穩(wěn)步推進(jìn)階段，110kv級(jí)卷鐵心變壓器目前國內(nèi)僅有少數(shù)廠家研制成功，220kv級(jí)卷鐵心變壓器目前還僅有上述這臺(tái)qys-r-(31500+25000)/220研制成功，并于2015年2月份在山西重載鐵路成功掛網(wǎng)投運(yùn)。
因電網(wǎng)系統(tǒng)使用的110kv及以上等級(jí)的卷鐵心變壓器仍處于研試階段，因此未來的市場容量和規(guī)模還無法預(yù)期，但從近期電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)高壓節(jié)能型變壓器的關(guān)注程度和國內(nèi)主流變壓器生產(chǎn)商紛紛涉足卷鐵心變壓器的研發(fā)上看，我們有理由相信在未來3~5年內(nèi)，即使卷鐵心變壓器僅占有10%的份額，市場規(guī)模也將是百億級(jí)的。
3、電氣化鐵路市場
由于卷鐵心變壓器良好的節(jié)能降噪效果和超強(qiáng)的過負(fù)荷抗短路能力，特別是常州太平洋電力設(shè)備（集團(tuán)）有限公司研發(fā)的220kv牽引變壓器獲得圓滿成功后，在牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用獲得了鐵路總公司的高度重視，預(yù)計(jì)在1~2年內(nèi)將會(huì)逐步推廣。
按照《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，至2020年每年還要新建的電氣化鐵路約為3000公里，每50公里一個(gè)牽引站，中間還有at變，也就是說每50公里將新置10臺(tái)變壓器，每年將要新置600臺(tái)變壓器，每年的市場規(guī)模約為15~20個(gè)億。
4、城市軌道交通市場
當(dāng)今正在全國各地興起的城市軌道交通建設(shè)，又提供了一個(gè)新興的變壓器市場。依照各地地鐵發(fā)展規(guī)劃，至2020年城市地鐵開通運(yùn)營里程數(shù)將達(dá)到14680公里，如果按平均0.8公里為一個(gè)站點(diǎn)，將要建18350個(gè)車站，每個(gè)車站4臺(tái)整流變，3-5臺(tái)電力變，平均每個(gè)站點(diǎn)用8臺(tái)變壓器，則需要近15萬臺(tái)變壓器，每年需求3萬臺(tái)變壓器，每年的市場規(guī)模約為8-12億。
四、卷鐵心變壓器應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)中的節(jié)能、環(huán)保效果
至2014年，電氣化鐵路總里程已經(jīng)突破5萬公里。按每一個(gè)50mva變電所平均空載損耗下降100kw計(jì)，采用節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器每年可節(jié)約電能損耗超過9億度電，到2020年電氣化鐵路里程達(dá)到7.2萬公里時(shí)，按此測算每年更將達(dá)到15億度電的節(jié)能效果，每年減少碳排放約4000萬噸。而卷鐵心變壓器在城市地鐵牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用除了節(jié)能外，還有更重要的一方面就是大幅度降低了城市變電所的運(yùn)行噪音，對(duì)建設(shè)綠色、環(huán)保生態(tài)型城市具有重大意義。
五、卷鐵心變壓器技術(shù)發(fā)展趨勢
卷鐵心變壓器自上世紀(jì)60年代開始形成基本結(jié)構(gòu)概念，至今已經(jīng)經(jīng)歷過幾次技術(shù)更新和技術(shù)換代，從卷鐵心牽引變壓器的成功研制經(jīng)驗(yàn)看，未來卷鐵心變壓器的技術(shù)發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）適合卷制鐵心的絕緣結(jié)構(gòu)和引線布置將更合理、更經(jīng)濟(jì)；
（2）線圈立式繞制工藝將會(huì)在大型卷鐵心變壓器制造中得到推廣應(yīng)用；
（3）為提高生產(chǎn)效率，實(shí)行并行生產(chǎn)模式，開口式卷鐵心的制造和插片技術(shù)會(huì)進(jìn)入實(shí)用階段，并成為卷鐵心變壓器系列的一個(gè)分支。
（4）由于磁路的改進(jìn)，漏磁分布也會(huì)發(fā)生變化，未來的探索將會(huì)深入到對(duì)漏磁分布的研究，在降低空載損耗的同時(shí)，可能也存在降低負(fù)載損耗的可能性。
（5）在產(chǎn)品的智能化、集成化和產(chǎn)品制造的智慧化方面，卷鐵心變壓器同樣存在著巨大的發(fā)展空間。
卷鐵心變壓器的研制成功并掛網(wǎng)運(yùn)行，不僅僅證明卷鐵心變壓器在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用是適合的，也為卷鐵心變壓器在高壓電力網(wǎng)中的應(yīng)用打開了一扇希望之門。我們很愿意與變壓器行業(yè)和材料行業(yè)的各位同仁們分享我們的一些經(jīng)驗(yàn)和收獲，希望能夠攜手共同推進(jìn)卷鐵心變壓器在中國乃至世界牽引供電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)《中國制造2025》的規(guī)劃，共同努力。
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