110 kV 开口卷铁心节能型牵引变压器空载性能分析

马洪亮，王永顺

0 引言

近年来，随着社会的快速发展，能源问题愈显突出，“节能降耗”已成为当今社会发展的主题之一，国家针对这一主题对机电行业提出了新的要求。牵引变压器作为电气化铁路的关键设备，其负荷率较低，降低牵引变压器空载损耗对电气化铁路的整体节能运行具有重要作用。

目前，牵引变压器铁心结构普遍采用普通叠积方式，节能效果不理想。针对该问题，国内某科研机构开展了卷铁心牵引变压器的研制，并取得了较好的成果。然而，由于卷铁心的一体性，其绕组均需在铁心上绕制，生产率较低，同时也对变压器的生产工艺、工装均提出了更高的要求。本文提出采用开口卷铁心方案，并对110 kV 开口卷铁心节能型牵引变压器进行空载性能研究。

1 变压器空载损耗技术分析

变压器正常工作时，由交变磁通引起的空载损耗主要包含涡流损耗、磁滞损耗和附加损耗。

（1）涡流损耗。当穿过变压器铁心的磁通变化时，根据法拉第电磁感应原理，在铁心内部将产生感生电动势，而铁心本身又是电的良导体，从而在铁心中将产生感应电流（即涡流），该感生电流在垂直于磁力线的平面内流动。根据楞次定律，涡流所产生的磁场总是力图阻止原磁场的变化，因而需要消耗能量，即产生了涡流损耗。产品设计中，叠片厚度应减小，且片间以绝缘涂层进行绝缘，以控制和减少涡流。

（2）磁滞损耗。当变压器铁心受到交变电流周期性变化的影响时，铁磁材料的内部磁畴排列也随之发生周期性改变，所产生的功率损失通常被称为磁滞损耗。磁滞损耗随硅钢片性能的提高和厚度的减小而降低，但附加损耗反而增加，两者的增量与减量大致相等，因此变压器总的铁损将主要取决于涡流损耗。

（3）附加损耗。铁心的附加损耗是由铁心的不均匀励磁以及漏磁通穿过铁心上的部分金属结构件所引起的涡流损耗。

2 变压器空载损耗影响因素分析

（1）材料的选取。变压器铁心材料的选取是影响变压器空载损耗的主要因素。变压器铁心材料先后出现了热轧硅钢片、冷轧取向硅钢片和非晶合金等材料，同容量的变压器其铁心损耗得到了大幅降低。然而，在大容量变压器的生产制造中，因其技术工艺和制造成本限制，高导磁冷轧取向硅钢片在较长一段时期内仍然是变压器铁心材料的首选。

（2）接缝形式。叠积式铁心接缝引起的损耗增加是变压器空载损耗增加的又一主要因素。目前，为使交变磁通产生的感应电流在铁心中的流向与硅钢片的晶粒取向接近一致，叠积式铁心大多采用全斜接缝铁心结构，在铁心的接缝处，铁心磁通穿越相邻硅钢片形成闭合磁路，在心柱和铁轭交接部位的4 个角的磁通方向与硅钢片的导磁方向不一致，因此局部的铁心损耗会大大增加。

3 卷铁心技术特性分析

卷铁心最大的优点是其磁通方向始终与取向硅钢片的晶粒取向保持一致，能够充分发挥取向硅钢片优越的导磁性能，同时在拼接部位不会形成高磁阻区，在整个磁路内局部磁通的波形相对较好，因此能有效降低变压器的空载损耗。

3.1 闭合卷铁心技术特性分析

常规的闭合式卷铁心具有磁阻小、损耗低、励磁电流小、噪声低的特点，是单相变压器最理想的磁路结构。由于常规的闭合式卷铁心的线圈只能在成品的铁心柱上绕制，工艺繁杂，生产效率低，品质控制困难，一般仅用于较小容量变压器产品。

3.2 开口卷铁心技术特性分析

新型可拆卸断口卷铁心结构是一种新型的开口卷铁心，采用多级阶梯错列直接缝，与叠片式变压器的多级阶梯斜接缝相似，但与叠铁心不同的是，多级阶梯错列直接缝设置在铁心柱或铁轭的直线部位，可以使阶梯错列接缝级数大大增加，同时磁通2 次穿越层间间隙便形成闭合回路。因此，新型可拆卸断口卷铁心可以全面保留闭合式卷铁心优越的电磁性能，由于断口可以打开，可以与叠积式铁心一样，将铁心和线圈分开制造后再组合装配。断口卷铁心断口截面如图1 所示。

图1 断口卷铁心断口截面

常规卷铁心由于硅钢片须经过剪切、卷绕或弯曲、整形等工序，会在形变的整个范围内产生很大的内应力，从而使材料晶格严重劣化，因此一般应进行退火处理以恢复磁性能。新型可拆卸断口卷铁心在小容量时也需进行退火处理，但较大容量的新型折叠式卷铁心由于在铁心磁路的折弯处受到应力使铁损增加值有限，因此可不进行退火处理。

另外，变压器在出现故障时，由于开口卷铁心具有可拆卸性、可修复性，可有效解决连续卷制的闭合式卷铁心工艺性差的问题，是目前采用取向硅钢片铁心的变压器最完美的铁心结构形式。

4 开口卷铁心变压器主要技术要求

（1）额定容量：(16 000 + 16 000) kV·A；

（2）额定电压：高压110 kV，分接范围±4×2.5%，低压27.5 kV；

（3）设备最高持续工作电压：高压126 kV，低压（相对地）31.5 kV；

（4）额定频率：50 Hz；

（5）相数：三相；

（6）性能参数见表1；

（7）联结组别：三相Vv 联结；

（8）绝缘水平见表2。

表1 开口卷铁心变压器主要性能参数

表2 开口卷铁心变压器绝缘水平 kV

5 开口卷铁心空载损耗仿真分析与试验

为验证变压器的空载损耗，针对该铁心方案，利用有限元分析法对其进行空载损耗仿真计算。

有限元法是通过将整个计算求解域分割成许多小的计算区域，基本特点是离散化和分片插值。离散是将一个连续的求解区域人为地划分为一定数量的单元，单元间的相互作用通过节点传递；分片插值是对每个计算单元选择相应插值函数，并在单元内完成积分计算。

5.1 有限元模型建立

（1）牵引变压器模型参数见表3。

表3 牵引变压器模型参数

（2）变压器几何模型建立。利用三维画图软件，按照牵引变压器实际尺寸对其进行1∶1 建模，然后导入三维电磁场分析软件中，同时建立求解域，进行瞬态场仿真计算，其模型如图2 所示。

图2 三维仿真模型

（3）材料属性设置。模型建立后，对铁心绕组材料属性进行设置，铁心材料采用优质高导磁硅钢片，并对其定义绘制了BH 曲线及BP 曲线，如图3、图4 所示。

图3 硅钢片BH 曲线

图4 硅钢片BP 曲线

（4）外电路建模。在仿真计算中，通过建立外电路（图5）对牵引变压器模型进行励磁。LWingding1、LWingding2、LWingding3、LWingding4分别表示牵引变压器高压绕组1、高压绕组2 和低压绕组1、低压绕组2，R1、R2、R3、R4 分别表示绕组的内电阻。

图5 外电路

（5）边界条件。边界条件是有限元计算中矩阵方程的定解条件，在该计算中，通常认为计算区域外没有磁场存在，故在此选择狄利克莱边界条件，即

5.2 仿真结果

通过利用外电路模拟仿真牵引变压器的空载试验，仿真计算完成后可得牵引变压器空载损耗如图6 所示，其计算的平均空载损耗值为9.84 kW。

图6 空载损耗

5.3 试验验证

变压器空载损耗仿真计算值与试验测量值对比如表4 所示，其参数的计算值与试验测量值基本吻合，误差在10%以内，满足工程需要。

表4 变压器空载损耗仿真值与试验值对比 kW

6 结论

通过试验数据对比，该开口卷铁心变压器的空载损耗实测值低于技术要求值，满足技术要求，且比标准值降低了33.3%，因此该牵引变压器具有较好的节能效果。

该牵引变压器在产品试制过程中由于没有相关的技术经验，第一台产品在制造过程中亦出现了很多技术难点，如上铁轭的回插等问题，经过技术积累，第二台基本能够较熟练地操作完成，批量化生产可操作性进一步得到印证。该开口卷铁心节能型牵引变压器的推广应用势必会带来较好的经济和社会效益。