敞开式立体卷铁心干式变压器在冬奥场馆冰立方的应用

周有娣，刘长英

(1. 北京建筑设计研究院有限公司，北京 100045； 2. 广东海鸿电气有限公司，开平 529000)

1 背景

2022年北京冬奥会期间，国家游泳中心将承接冰壶和轮椅冰壶项目的比赛。为符合2022冬奥会场馆低碳环保的建设方向，本次改造工程中，供配电设备选型完全按照奥组委低碳环保、绿色、可持续的理念，变压器应用了目前行业先进的节能技术产品，即SGB13-RL型敞开式立体卷铁心干式变压器。该节能技术产品采用立体卷铁心结构和NOMEX®芳纶绝缘纸、PIF聚酰亚胺薄膜及艾伦塔斯单组份环保绝缘漆组成的绝缘系统，是一种“高效双节能”(生产节材、运行节能)、绿色环保、安全可靠的变压器产品，与2022北京绿色冬奥的理念高度契合，同时与国家绿色制造的可持续发展目标要求高度相符。

2 敞开式立体卷铁心干式变压器的技术要点

2.1 铁心技术

变压器铁心设计方面采用目前最先进的立体卷结构。相对于传统平面叠铁心，立体卷铁心具有三相平衡、节能、节材、噪音低、漏磁小等优点。具体分析对比如表1所示。

由于立体卷铁心特殊的加工工艺，其可做到材料利用率接近100%，而平面叠铁心的材料利用率约为95%。在相同铁心直径、心柱截面、中心距、窗高的情况下，立体卷铁心与叠片铁心的重量差就是铁轭的重量差。参数对照如表2所示。

结合表2，基于立体卷铁心和平面叠铁心直径、截面、窗高、中心距相同的分析，两种铁心的心柱重量m0是相等的，即铁心重量差△m=m2-m1。计算结果如式(1)～(2)所示：

立体卷铁心和平面叠铁心各项指标对比 表1

铁心参数对照表 表2

m1=3M0×Sg+0.486×D×S×g

(1)

m2=4M0×S×g+2.14×D×S×g

(2)

结合以上数据可推导出：立体卷铁心与叠片铁心的重量差如式(3)所示：

△m=m2-m1=M0×S×g+

1.654×D×S×g

(3)

将立体卷铁心和平面叠铁心参数带入计算，此部分立体卷铁心的硅钢片用量平均下降约18%。结合材料利用率因素，立体卷铁心总体硅钢材料重量可节约23%。以本次“冰立方”应用的2台型号为SGB13-RL-1600/10的敞开式立体卷铁心干式变压器为例，可节省硅钢片用量约1.6t，节能优势明显。

变压器空载损耗公式：P0=Pt× K0×M，考虑到立体卷铁心铁轭部分的损耗增加，假定心柱的单位损耗为Pt1，铁轭的单位损耗为Pt2。立体卷铁心和平面叠铁心的空载损耗下降比较参见表3。

空载损耗下降比较 表3

综合考虑以上各方面因素，相对于平面叠铁心，同容量立体卷铁心的空载损耗可以下降18%～28%。以本次“冰立方”应用的2台型号为SGB13-RL-1600/10的敞开式立体卷铁心干式变压器为例，空载损耗下降1 170W，年运行空载能耗可降低约10 249kWh，节能效果突出。

2.2 绕组技术

变压器绕组结构方面采用电场分布均匀、散热效果好的饼式结构。通常情况下，干式变压器的可靠性受绝缘材料的老化影响较大，老化主要分为热老化和电老化。热老化受负载大小影响较大，负载越大，变压器运行时温度越高，热老化越快。敞开式立体卷铁心变压器绕组合理设定横向散热气道，保证线圈整体散热效果好，从而可以延缓变压器的热老化。

电老化受工作电压、过电压影响，在变压器通电后持续进行。因此，线圈各部位的电场强度分布是否均匀、是否存在场强集中，将很大程度影响绝缘材料电老化的进度。

电场强度可按式(4)计算：

(4)

式中，E为电场强度，V/mm；d为带电导体的间距(含导线匝绝缘)，mm；U为带电导体之间的电压，V。

一般情况下，干式变压器线圈内部绝缘体系包含两种或以上绝缘材料。对于树脂绝缘干式变压器来说，其高压线圈绝缘主要由导线绝缘(漆包线或玻璃丝包线)和环氧树脂组成；对于敞开式干式变压器高压线圈绝缘主要为导线绝缘(Nomex纸包线)、绝缘漆和空气组成。图1为包含两种绝缘材料的绝缘体系。

图1 绝缘系统示意图

图1中，d1为其中一种绝缘材料(以下称为绝缘材料1)的厚度，ε1为该材料的介电常数，d2为导体匝绝缘的厚度，ε2为导体匝绝缘的介电常数，U为裸导体间电压。设作用在绝缘材料1上电压为U1，电场强度为E1；作用在导体匝绝缘间的电压为U2，电场强度为E2。

由公式(4)可推导出：

U1=E1×d1

(5)

U2=E2×d2

(6)

绝缘材料的介电常数和电场强度的关系如式(7)所示：

ε1/ε2=E2/E1

(7)

由式(5)和式(6)可知：

U1/U2=E1×d1/E2×d2

(8)

将式(6)带入式(7)可得：

U1/U2=d1ε2/d2ε1

(9)

又

U=U1+U2

(10)

结合式(9)、(10)可得：

U1=U/(1+d2ε1/d1ε2)

(11)

E1=[U/(1+d2ε1/d1ε2)]/d1

(12)

同理可以求出E2。

本次应用于“冰立方”变压器额定电压为10kV，调压范围为±2×2.5%，最大分接电压10 500V， 三相高压线圈为三角形联结，绕组纵向分为30段，段间距最少为4mm，段间绝缘为空气，介电常数为1；导线匝绝缘以NOMEX®芳纶绝缘纸为主，介电常数为2.5，绝缘厚度为0.3mm，由式(9)可知，作用在导线绝缘(即NOMEX纸)上的最大电场强度E1=[10 500/30/(1+4×2.5/0.3×1)]/0.3=34V/mm；作用在段间空气的最大电场强度E2=[10 500/30/(1+0.3×1/2.5×4)]/4=85V/mm。如此小的电场强度对介质的电子迁移影响很小，因此很难激发局部放电，继而可以延缓变压器的电老化。

变压器绕组绝缘材料应用耐温等级高、绿色环保、阻燃的NOMEX®芳纶绝缘纸、PIF聚酰亚胺薄膜及艾伦塔斯单组份环保绝缘漆。同时，绕组可燃物含量较传统环氧树脂下降约85%。绕组各项主要绿色指标与传统树脂绝缘干式变压器对比如表4所示。

如表4所示，绿色制造干式变压器以NOMEX®纸为主要绝缘材料。NOMEX®纸的特点包括：1)介电常数为1.5～2.5。更接近空气的介电常数，可使作用在空气隙的场强较低；其他H级固体绝缘材料的介电常数，都比NOMEX®纸的介电常数大。2)局部放电起始电压也较高。结合饼式线圈结构场强分布均匀的特点，从产品设计上保证变压器线圈无局部放电。3)具有很好的防潮性能，不吸水，即使在95%相对湿度下，仍可保持完全干燥时90%的介电强度(表5显示了湿度对NOMEX®纸 410-25MM(10MIL)电气特性的影响)。4)在220℃下的化学稳定性好。5)阻燃性好，在220℃高温下氧指数仍大于20.8%。即使在特高温度燃烧，着火后能自熄而不助燃。 美国UL认证NOMEX®纸的阻燃等级为V-0级，属于高阻燃等级。6)当产品达预期运行寿命后，回收很方便，不存在任何影响环保的问题，因此环保性能好，通过UL认证在750℃高温下无有毒有害气体。

敞开式干式变压器和树脂绝缘干式变压器对比表 表4

湿度对Nomex纸电气特性的影响 表5

2.3 结构件技术

变压器夹件、安装底座等结构件应用先进的折弯板式结构，采用不锈钢材料，既减少了整体材料用量，同时又降低了杂散损耗，消除了制造过程中酸洗、磷化、喷漆等不环保工序，而且在变压器寿命终期回收利用率高，高度符合可持续利用的环保理念。

3 敞开式立体卷铁心干式变压器的制造要点

图2为敞开式立体卷铁心干式变压器的简易生产流程图。

图2 简易生产流程图

敞开式立体卷铁心干式变压器的铁心生产加工过程分为开料、卷绕、退火及装配，实现流水线操作，自动化程度高，生产效率高，产品质量稳定可靠。其中，开料工序采用自动化曲线开料技术，使得材料利用率接近100%。卷绕工序采用拥有发明专利的立体卷铁心专有自动化卷绕设备，提高效率的同时，保证硅钢片之间贴合紧密，降低铁心运行时的空载电流和噪音。退火工序同样采用自动化退火装置配合专有的退火曲线，消除了硅钢片在开料和卷绕中产生的应力，将硅钢片的导磁性能基本恢复到初始状态，从而降低空载损耗和空载电流。

敞开式立体卷铁心干式变压器的高压线圈，相对于多数浇注绝缘干式变压器分段圆筒式的线圈结构，无需装配外模，绕制工艺更简单。线圈工序可缩短约1个工作日。

线圈绕制完成后和铁心一起采用VPI设备和真空压力浸渍技术进行浸漆，绝缘漆采用可再生的环保漆，固化后具有良好的电气和机械性能。同时，相对于树脂绝缘干式变压器的高压绕组单独浇注、低压绕组和铁心通常不浇注的工艺，经过整体真空压力浸漆之后，产品整体防潮能力出色，可适应各种极限的潮湿环境。

4 敞开式立体卷铁心干式变压器的经济效益和社会效益

变压器在传输功率的过程中其自身会产生有功功率的损耗(即空载损耗与负载损耗的总和)。通常采用“变压器全年运行成本”这个参数，可反映出变压器运行一年所消耗的电费。具体计算公式如式(13)所示：

Cp={Hpy×(P0+KQ×I0×Se)+

τ×β02(Pk+KQ×Uk×Se)}×E

(13)

式中，Cp为变压器全年运行成本，元；I0为变压器空载电流，%；Hpy为变压器年带电小时数，h；Uk为变压器短路阻抗，%；τ为变压器年最大负载损耗小时数，h；Se为变压器额定容量，kVA；P0为变压器空载损耗，W；KQ为变压器无功当量；Pk为变压器负载损耗，W；β0为变压器初始年高峰负载率；E为电费，元。

表6为相同主材成本下SGB-RL型与SCB型干式变压器性能对比表。

变压器性能对比表 表6

通过表6可知，敞开式立体卷铁心干式变压器的空载损耗、空载电流、负载损耗相对于传统平面叠铁心干式变压器产品均有明显的下降，因此按照公式(13)可知，其运行更节能，更经济。以本次冰立方2台1 600kVA为例，每年可降低能耗11 862kW·h。 按照国家能源局发布的数据，2020年全国供电标准煤耗为305.5g/kW·h，可节约3.6t标准煤，降低约2.5t碳排放，经济效益和社会效益明显。

5 结束语