节能型卷铁芯自耦变压器的结构设计与分析

郭 兰，李晓新

节能型卷铁芯自耦变压器的结构设计与分析

郭 兰，李晓新

介绍了用于电气化铁路AT供电方式的节能型卷铁芯自耦变压器的结构设计，分析了其与叠积式铁芯自耦变压器的不同及优势，并阐述了在变压器结构设计及制造工艺流程中的关键问题。

节能型卷铁芯；线圈绕制；器身结构；工艺流程

0 引言

自耦变压器作为电气化铁路AT供电的主要能耗设备，使用数量较多，降低自耦变压器的空载损耗将带来可观的经济效益和社会效益。降低空载损耗有下列几种方案：一是降低铁芯的磁通密度，对应的硅钢片单位铁损降低，使得空载损耗降低，该方案会造成变压器制造原材料消耗大幅增加；二是采用高标号硅钢片，但受硅钢片本身性能限制，空载损耗降低幅度不大；三是采用铁芯面积利用率高、空载工艺系数低的卷铁芯代替叠积铁芯。

笔者团队自主研发了型号为OD-RM-12600/55的节能型卷铁芯自耦变压器，达到了降低变压器空载损耗的目的。

1 卷铁芯与叠积式铁芯比较

叠积式铁芯（图1）是将已纵向剪切成一定宽度的硅钢带，横剪成一定形状和尺寸的硅钢片叠积起来组成变压器铁芯。为了充分发挥晶粒取向的硅钢片的优良性能，目前铁芯均采用全斜接缝结构，使磁通在铁芯内的流通方向与硅钢片的晶粒取向一致。铁芯在叠积时，每一层都存在斜接缝，铁芯必须交错叠积才能组成一个整体。在铁芯接缝处，铁芯磁通穿越相邻硅钢片形成闭合磁路，但接缝处产生的磁通发生畸变，使局部的铁芯损耗增大。

图1 叠积式铁芯

卷铁芯（图2）是由若干一定形状的硅钢带连续卷绕而成，整个磁路中无空气隙。硅钢带的高导磁方向一致，磁阻小、损耗低。另外，卷铁芯因整体性好，可以卷绕完成后进行退火。据统计，采用同牌号、同规格的材料制成的铁芯，退火后比不退火的空载损耗低5%～10%，空载电流低15～30%。

叠积式铁芯采用多级片宽硅钢片叠积成阶梯型（图3），其截面的理论填充系数一般为0.9左右，级数增大虽然可以增大填充系数，但制造工艺上会增加更多麻烦。另外，片与片之间叠积时不可能达到完全紧密，致使叠积式铁芯还存在一个叠片系数，一般叠片系数范围为0.95～0.97。质量越好的硅钢片，厚度也越小，叠片系数也越小。图3中阴影部分为芯柱浪费的铁芯面积。

图2 卷铁芯

图3 叠积铁芯剖面图

圆截面卷铁芯为制造卷绕不切割型，铁芯由宽窄变化的硅钢片长带卷绕而成，芯柱截面接近圆形，填充系数可达0.95～0.98，比叠积式铁芯截面的填充系数大0.05～0.08。因此，在截面积相同的情况下，卷铁芯芯柱外接圆直径比叠积式铁芯外接圆直径小2～3%，从而减少了线包导线的平均匝长，节省铜材约2～3%，降低了负载损耗。

由于叠积式铁芯的硅钢片之间不够紧密，工作时在电磁力作用下产生振动，噪声较大；卷铁芯的硅钢带之间较紧密，工作时振动小，噪声低，卷铁芯噪声比叠积式铁芯噪声低7～10 dB。

综上所述，卷铁芯在铁芯制造工艺上和铁芯柱截面利用率上都优于叠积式铁芯，可以大幅降低空载损耗。

2 卷铁芯自耦变压器主要技术参数

产品型号：OD-RM-12600/55；

空载损耗：3.6 kW；

负载损耗：24.5 kW；

阻抗：0.45Ω。

3 产品设计

在进行产品设计前，需根据变压器技术参数、运行工况、绝缘水平、产品运行环境等对变压器进行电磁计算。根据电磁计算结果以及卷铁芯自身特点进行变压器结构设计。

通过对比发现，叠积式铁芯叠积完成后，将上铁轭拆除后套装铁轭绝缘和线圈；卷铁芯用撑条将内线圈和铁芯柱撑紧，再插装上铁轭，完成器身装配。这就要求改变传统自耦变压器器身结构的设计方案。

（1）线圈选择。叠积式铁芯自耦变压器绕组常用圆筒式线圈和螺旋式线圈，其中圆筒式线圈绕线方式更为简单，换位点少，抗短路能力远胜于具有多个换位点的螺旋式线圈；从工艺方面考虑，圆筒式线圈可在低压线圈上连续绕制至高压线圈，高低压线圈允许一起烘干压装。因此，确定卷铁芯自耦变压器绕组形式为圆筒式线圈形式。

（2）铁芯框架结构。铁芯装配采用“撑板-上夹件-拉螺杆-下夹件-垫脚”框架结构（图4），侧边辅助旁螺杆。下夹件焊有支板，支撑整个器身，上夹件焊接压钉座，为器身提供压紧装置，整体框架对铁芯受力均匀。

图4 铁芯结构

拉螺杆共6根，布置于线圈的外侧，分别放于高低压侧相间和夹件两端部。拉螺杆与绕组在垂直高度方向上平行。拉螺杆与整个铁芯框架及油箱同电位，绕组对拉螺杆相当于对地关系，因此绕组与拉螺杆之间必须保证足够的距离（根据表1选择）。

表1 绕组与拉螺杆之间距离选用表

卷铁芯横截面为圆形，铁芯圆弧面对整体装配稳定性有一定影响，因此辅助绝缘件如夹件绝缘、轭螺杆垫块、垫脚垫块、撑板垫块等也由台阶形状改为圆弧形状（图5），以增强稳定性，减少噪音。

图5 绝缘件（垫脚垫块）

（3）器身绝缘结构。卷铁芯为一个整体，没有开口，绕组直接绕制在铁芯上，器身绝缘上的所有绝缘件不能采用从上到下的套装方式，而必须绕制或采用开口形式。

在产品设计中取消上下铁轭绝缘及上压板的封闭式结构，设计为两半形状，接口处设计补板，对接完成后，通过补板进行粘合或螺栓拧紧，形成一个整体。

器身压装采用上夹件焊接的压钉座装配压钉，在夹件通过拉螺杆及撑板定位后，对整个器身进行压紧，保证变压器的抗短路能力（图6）。因相间位置磁场会发生畸变，使得相间对应位置的绕组更容易遭到短路破坏，因此在相间位置增加一个压钉，以增强绕组在此位置的压紧力。

（4）油箱的设计与叠积式铁芯自耦变压器油箱设计类似，不再叙述。

图6 器身结构

4 产品制造

经上述分析可以看出，卷铁芯变压器的线圈绕制需要特殊的绕线机才能完成，需引进专门的卷铁芯线圈绕制工装。把卷制合格的铁芯固定在专用的绕线机上，并在铁芯上绕一层紧缩带，然后将两半齿轮安装在铁芯柱上，并保证两端齿轮间距符合绕组轴向尺寸要求。

扁铜线的绕制按设计要求包好出头绝缘（注意线圈绕向），将线圈首头固定在齿轮上。低压线圈绕完后，应测量线圈外径，确认是否符合要求。然后，按图纸要求放置层间油道绝缘，按同样方法继续绕制下一层线圈。A柱（相）线圈绕好后，上移铁芯，依次绕制B柱。

整台线圈绕好后，抽出首头和末头，放进端部绝缘并压紧。放置上下铁轭绝缘，将线圈出头从上下铁轭绝缘处伸出固定好，将绝缘件粘合成整体。

在装配平台上放好单侧上、下夹件，测算好上下夹件距离，用单侧拉螺杆暂时固定。铺好夹件绝缘，用专用吊具把器身平放到装配平台上，放置另一侧夹件绝缘及夹件等。

借助吊具和翻转台将铁芯立起，将整体器身吊离翻转台，放置好，通过压钉压紧线圈轴向。

铁芯起立压紧后进行连接，之后的工艺与传统自耦变压器工艺要求相同。

5 实验结果分析

OD-RM-12600/55节能型卷铁芯自耦变压器通过了国家变压器质量监督检验中心沈阳变压器研究院有限公司变压器实验室型式试验的验证。

表1与表2为同容量不同铁芯形式的自耦变压器经过整体试验后的主要参数结果。通过比较可以看出，节能型卷铁芯自耦变压器与叠铁芯自耦变压器相比，空载损耗降低了约40%，负载损耗降低了约10%，有效地减少了电能消耗。

表2 叠铁芯变压器OD-M-12600/55整体试验性能参数

表3 卷铁芯变压器OD-RM-12600/55整体试验性能参数

6 经济效益分析

表4是对叠积式铁芯自耦变压器和卷铁芯自耦变压器进行10年变电成本计算得出的对比表。

表4 经济成本对比表 元

由表可见，虽然卷铁芯自耦变压器一次性投资较高，但变压器10年变电成本明显偏低，具有节能优势。

7 结语

OD-RM-12600/55节能型卷铁芯自耦变压器目前已在侯马供电段南同蒲线辛置AT所投入运行，运行状况良好。该卷铁芯自耦变压器是在叠铁芯自耦变压器的基础上，结合卷铁芯变压器的制作特点研发而成，具有损耗低、噪音小、抗短路能力强等优势，在大力倡导低碳经济的今天值得推广。

[1]TB/T 2888-2010电气化铁路自耦变压器.[S].2010.

[2]GB 1094.1-2013电力变压器 第1部分：总则[S].

[3]电力变压器手册编写组.电力变压器手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1990.

The paper introduces the structural design of energy saving type roll core autotransformer for electrified railway under AT power supply mode,analyzes its differences and advantages compared with laminated iron core autotransformer,and illustrates the key issues in flow of process for structural design and manufacturing of transformers.

Energy saving type roll core;winding of coil;structure of transformer body;flow of process

U224.2+2

B

1007-936X(2017)06-0080-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.021

郭 兰.中铁电气工业有限公司保定铁道变压器分公司，工程师；

李晓新.中铁电气工业有限公司保定铁道变压器分公司，高级工程师。

2016-12-23