摘要：介紹了S11系列卷鐵心變壓器和疊積式鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)特點，并根據(jù)各自的結(jié)構(gòu)分析了其空載損耗、空載電流、承受短路的能力和過負(fù)載能力等性能。認(rèn)為在抗短路能力和過負(fù)載能力方面，疊積式鐵心變壓器優(yōu)于卷鐵心變壓器；對小容量變壓器，卷鐵心變壓器具有成本優(yōu)勢，而對于大容量變壓器，疊積式鐵心變壓器的制造成本低于卷鐵心變壓器。
　　關(guān)鍵詞：變壓器；卷鐵心；疊積式鐵心

　　節(jié)約能源和使用節(jié)能產(chǎn)品是我國的一項基本國策。從20世紀(jì)80年代開始，隨著熱軋硅鋼片晶粒取向的冷軋硅鋼片所取代，7型變壓器逐步取代了較高能耗的變壓器。至20世紀(jì)90年代末期，隨著冷軋硅鋼片材料性能的提高以及新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝的應(yīng)用，7型變壓器也被視為高能耗產(chǎn)品，由9型變壓器取而代之。
　　開發(fā)低損耗變壓器的主要手段是采用新材料，應(yīng)用新結(jié)構(gòu)和新工藝，有發(fā)展前景的新材料之一是非晶合金［1］。除采用新材料外，變壓器行業(yè)對鐵心結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作，各種結(jié)構(gòu)的鐵心不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了11型卷鐵心變壓器，它進(jìn)一步降低了變壓器的空載損耗，在2001年年初，由廣東省廣電集團有限公司廣州供電分公司電力設(shè)備修造廠(以下簡稱“廣州電力修造廠”)和佛山市旭華電力設(shè)備制造有限公司(以下簡稱“佛山旭華公司”)聯(lián)合開發(fā)了S11系列疊積式鐵心變壓器。
　　本文將對S11系列卷鐵心變壓器和疊積式鐵心變壓器的性能進(jìn)行分析、比較。

1疊積式鐵心和卷鐵心的結(jié)構(gòu)
1.1疊積式鐵心
　　疊積式鐵心是將已縱向剪切成一定寬度的硅鋼帶，橫剪成一定形狀和尺寸的硅鋼片，再將硅鋼片疊積起來組成變壓器鐵心。為了充分發(fā)揮晶粒取向的硅鋼片的優(yōu)良性能，目前的鐵心都采用全斜接縫結(jié)構(gòu)(如圖1(a)所示)，使磁通在鐵心內(nèi)的流通方向與硅鋼片的晶粒取向一致。但鐵心在疊積時，每一層都有一定數(shù)量的斜接縫，所以，鐵心必須交錯疊積才能組成一個整體。在鐵心的接縫處，鐵心磁通穿越相鄰硅鋼片形成閉合磁路，但接縫處局部的鐵心損耗會增大。為了減少接縫對變壓器損耗的影響，變壓器接縫形式由二級接縫發(fā)展至三級或三級以上的接縫，這樣能顯著降低變壓器的損耗，使目前的1 000kVA變壓器鐵心的附加損耗系數(shù)降低至1.10～1.13。
　　疊積式鐵心接縫區(qū)損耗增加的原因主要是接縫區(qū)產(chǎn)生的磁通發(fā)生畸變。對小容量的變壓器，接縫對空載損耗的影響較大；對較大容量的變壓器，接縫對空載損耗的影響較小。
1.2卷鐵心
　　卷鐵心變壓器的鐵心是用硅鋼帶連續(xù)卷制而成，它最早應(yīng)用于電子變壓器，特別適用于單相變壓器。采用晶粒取向的硅鋼帶卷制成的單相卷鐵心，能保證磁通流通方向與硅鋼帶的晶粒取向一致，使材料的優(yōu)良性能得到完全發(fā)揮，但在磁通的流通過程中，每一閉合磁通在1個閉合回路內(nèi)至少穿越硅鋼片1次。
　　將卷鐵心技術(shù)推廣到三相變壓器，可制成三相三柱式變壓器鐵心，它由2個相同的內(nèi)框和一個外框組成(如圖1(b)所示)，由于每一鐵心柱都是由2個不同的框柱組成，而變壓器在運行時，每個鐵心柱的磁通是不斷變化的，所以也存在磁通僅在2個鐵心柱之間流通，而在另一鐵心柱內(nèi)的磁通為零的情況。這樣，一部分磁通會在不同的框之間穿越，或者在磁通為零的鐵心柱內(nèi)，2個框內(nèi)會出現(xiàn)流通方向相反的磁通。無論出現(xiàn)哪種情況，都會增加鐵心的空載損耗，因此，目前的三相三柱式卷鐵心結(jié)構(gòu)有一定的缺陷。

　　另外，根據(jù)硅鋼片的特性，卷鐵心必須經(jīng)過退火處理，退火一方面增加了變壓器的成本，另一方面退火質(zhì)量對鐵心的空載損耗影響較大，所以，應(yīng)認(rèn)真掌握退火工藝。
2疊積式鐵心變壓器和卷鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)特點
2.1疊積式鐵心變壓器
　　疊積式鐵心變壓器的鐵心和線圈是分別制造的，鐵心疊好后，將上鐵軛拆除，然后套裝鐵軛絕緣和線圈，用撐條將內(nèi)線圈和鐵心柱撐緊，再插裝上鐵軛，完成器身裝配。疊積式鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)具有下述特點：
　　a) 鐵心的夾緊方向是鐵心片的厚度方向，能很好地夾緊鐵心；
　　b) 對雙層圓筒式線圈，線圈的內(nèi)層沒有線圈骨架；
　　c) 由于在安裝時拆掉了上鐵軛，鐵心柱和線圈之間可以很方便地用撐條撐緊；
　　d) 線圈是單獨繞制的，繞制后線圈可以單獨浸漆。
2.2卷鐵心變壓器
　　卷鐵心變壓器最早由日本的一些變壓器廠家制造，但日本的卷鐵心變壓器制造工藝與我國不一樣。日本的制造工藝是：在鐵心卷制后，再切開一條縫，然后套裝線圈。我國的卷鐵心變壓器的制造工藝為：將已退火的鐵心成品放到卷鐵心繞線機上繞線圈，繞線圈前，先將1個開成兩邊的線圈骨架裝到鐵心柱上，然后在線圈骨架上繞制線圈，繞完后，再裝好夾鐵，夾緊線圈，完成器身裝配。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有以下特點：
　　a) 鐵心的夾緊方向是硅鋼片的寬度方向，不能沿硅鋼片的厚度方向夾緊鐵心，使整個鐵心在結(jié)構(gòu)上不夠牢固，必須做鐵心浸漆處理；
　　b) 內(nèi)線圈的最內(nèi)層一定要有線圈骨架，導(dǎo)致內(nèi)線圈的最內(nèi)層散熱較差；
　　c) 在鐵心柱與內(nèi)線圈的相與相之間，沒有撐條撐緊；
　　d) 由于線圈直接在鐵心上繞制，線圈不能避開鐵心單獨浸漆。
3性能分析
3.1空載損耗
　　變壓器的空載損耗是變壓器的一個非常重要的經(jīng)濟指標(biāo)，S11系列變壓器的空載損耗比S9系列變壓器平均下降30%以上。對用戶而言，無論是S11系列卷鐵心變壓器，還是S11系列疊積式鐵心變壓器，其空載損耗的水平都是一樣的。
　　在影響疊積式變壓器空載損耗的因素中，除變壓器結(jié)構(gòu)和鐵心材料外，還有鐵心剪切毛刺和疊片的質(zhì)量，而剪切毛刺和疊片質(zhì)量對空載損耗的影響較小，為1%～3%，所以，除個別新設(shè)計的產(chǎn)品外，疊積式鐵心一般不需做半成品的空載試驗，也可以保證同種規(guī)格不同產(chǎn)品的損耗值很接近。
　　卷鐵心的退火質(zhì)量對卷鐵心變壓器空載損耗的影響很大。根據(jù)沈陽變壓器研究所的試驗結(jié)果，在不退火狀態(tài)下做空載試驗，卷鐵心的空載損耗是基本損耗的5～7倍；如果退火質(zhì)量不好，其空載損耗是基本損耗的15～2倍。退火質(zhì)量對空載損耗的影響高達(dá)50%～100%，可能造成同種規(guī)格不同產(chǎn)品的損耗值偏差較大。從保證產(chǎn)品質(zhì)量的角度考慮，應(yīng)在退火后抽測卷鐵心的空載損耗值。
3.2空載電流和噪聲
　　在相同空載損耗的條件下，由于卷鐵心變壓器磁路無接縫，所以卷鐵心變壓器的空載電流和噪聲比疊積式鐵心變壓器低。據(jù)了解，S11系列卷鐵心變壓器的空載電流比S9系列變壓器的國家標(biāo)準(zhǔn)值下降60%以上，噪聲比JB/T 10088—1999《6～220 kV級變壓器聲級》中的標(biāo)準(zhǔn)值下降30%以上。
　　對疊積式鐵心，從廣州電力修造廠和佛山旭華公司聯(lián)合設(shè)計的S11-1000/10型和S11-400/10型疊積式鐵心變壓器樣機的試驗結(jié)果來看，其實測的空載電流比S9系列變壓器的國家標(biāo)準(zhǔn)值降低65%以上。因此，雖然理論上卷鐵心變壓器的空載電流比疊積式鐵心變壓器小，但如果疊積式鐵心變壓器設(shè)計合理，工藝保證，那么兩者的實際區(qū)別不會很大。
3.3承受短路的能力
　　變壓器承受短路的能力是影響變壓器可靠性的一個重要指標(biāo)。變壓器承受的短路力主要有線圈幅向力和線圈軸向力，線圈幅向力使內(nèi)線圈承受向內(nèi)的擠壓力，使外線圈承受向外的拉伸力。對卷鐵心變壓器來說，由于內(nèi)線圈與鐵心之間沒有撐條撐緊，當(dāng)變壓器短路時，小容量的變壓器短路力較小，內(nèi)線圈本身可以承受短路力；但當(dāng)變壓器容量較大時，短路力較大，內(nèi)線圈本身和線圈骨架承受不了短路力，容易導(dǎo)致內(nèi)線圈變形，使變壓器損壞。所以，卷鐵心變壓器(尤其是容量大的變壓器)承受短路的能力較差。對疊積式變壓器來說，由于內(nèi)線圈與鐵心柱之間有撐條撐緊，線圈幅向的機械性能很好，所以承受短路的能力強。此外，在承受幅向短路力方面，廣州電力修造廠和佛山旭華公司聯(lián)合開發(fā)的產(chǎn)品都采用了低軸向短路力結(jié)構(gòu)和高可靠性壓緊結(jié)構(gòu)，使變壓器具有很強的承受短路的能力，4臺樣機都一次性通過了國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的突發(fā)短路試驗的考核。
　　在送至國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心試驗的卷鐵心變壓器中，絕大多數(shù)都是容量為400 kVA及以下的變壓器，到2001年5月止，還沒有一臺容量為1 000 kVA及以上的卷鐵心變壓器通過國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的短路試驗的考核，較大容量的卷鐵心變壓器能否承受突發(fā)短路還需要進(jìn)一步驗證。
3.4過負(fù)載能力
　　卷鐵心變壓器的內(nèi)線圈有線圈骨架，該骨架較厚，如圖2所示，線圈熱量不能通過線圈骨架散發(fā)出來，對S11500/10型變壓器及容量更小的變壓器，其內(nèi)線圈為雙層圓筒形，內(nèi)線圈的內(nèi)層和外層在單位面積上的發(fā)熱量相等，但內(nèi)線圈的內(nèi)層只有一面散熱，而外層有兩面散熱，使內(nèi)線圈的溫升比平均溫升高很多。例如，若測量出變壓器內(nèi)線圈對油的平均溫升為23 K，則可推算出卷鐵心變壓器內(nèi)線圈內(nèi)層對油的溫升可達(dá)31～32 K。

　　疊積式鐵心變壓器的內(nèi)線圈與鐵心柱之間的紙筒較薄，該層紙筒散熱效果較好，內(nèi)層與外層之間溫度差較小，若測量出內(nèi)線圈對油的平均溫升為23 K，則可推算出疊積式鐵心內(nèi)線圈內(nèi)層對油的平均溫升為26 K。
　　所以，對于卷鐵心變壓器和疊積式鐵心變壓器，即使2種變壓器的溫升試驗數(shù)據(jù)完全一樣，但由于卷鐵心變壓器的最熱點溫升比疊積式鐵心變壓器高出很多，使卷鐵心變壓器的實際過負(fù)載能力比疊積式鐵心變壓器弱很多。在相同負(fù)載條件下，根據(jù)六度法則，上例中的疊積式鐵心變壓器的使用壽命比卷鐵心變壓器使用壽命約長一倍。
4成本分析
　　目前，一些卷鐵心變壓器生產(chǎn)廠家在推銷自己的產(chǎn)品時，都比較強調(diào)S11系列卷鐵心變壓器的材料消耗較少，質(zhì)量較輕，而忽略了制造成本。現(xiàn)在很多廠家生產(chǎn)的S11系列卷鐵心變壓器，都是采用厚度為0.23～0.27 mm的硅鋼片，而生產(chǎn)S9系列疊積式鐵心變壓器常采用厚度為0.30 mm的硅鋼片，2種鐵心材料的基本損耗不一樣，可比性并不強。用相同材料(例如30Q130材料)設(shè)計S11系列變壓器時，在保證完全退火的條件下，卷鐵心變壓器的鐵心附加損耗系數(shù)的取值應(yīng)不低于1.05；對于疊積式鐵心變壓器的鐵心附加損耗系數(shù)，50～100 kVA變壓器取125左右，160～250 kVA變壓器常取1.2，315～500 kVA變壓器常取1.17，630 kVA及以上容量的變壓器則取1.13。
　　從鐵心附加損耗系數(shù)看，在空載損耗相同的條件下，制造卷鐵心變壓器的材料消耗比疊積式鐵心變壓器少，但在卷鐵心制造過程中，需要經(jīng)過退火處理，使卷鐵心的制造成本增加，此外，在生產(chǎn)較大容量的變壓器時，線圈需要浸漆(若不浸漆，其承受短路的能力更弱)，而線圈浸漆時，必須在線圈烘干后和鐵心一起整體浸漆，再整體烘干，進(jìn)一步增加了變壓器的制造成本。而制造疊積式鐵心的過程中需沖V口，使鐵心材料的損耗增加4%～5%，這是疊積式鐵心的不足之處。綜合比較以上各種因素，筆者認(rèn)為，若按常規(guī)方法設(shè)計制造S11系列疊積式鐵心變壓器，其成本比卷鐵心變壓器高。但廣州電力修造廠和佛山旭華公司聯(lián)合開發(fā)的S11系列疊積式鐵心變壓器采用了特殊的設(shè)計方法和制造工藝，可以降低變壓器的空載損耗。廣州電力修造廠和佛山旭華公司生產(chǎn)的S11系列變壓器，若使用同型號的材料，對于容量為630 kVA及以上的變壓器，疊積式鐵心變壓器的材料消耗與卷鐵心變壓器相當(dāng)，其制造成本還會略低于卷鐵心變壓器；對于315～500 kVA變壓器，疊積式鐵心變壓器的制造成本與卷鐵心變壓器相當(dāng)；但對容量為250 kVA及以下的變壓器，卷鐵心變壓器的制造成本要低于疊積式鐵心變壓器。
　　在維修方面，疊積式鐵心變壓器要比卷鐵心變壓器方便。對三相三柱式卷鐵心而言，磁通可能會在框與框之間穿越，是否會引起鐵心的局部過熱，還需經(jīng)運行驗證。而疊積式鐵心變壓器由于使用時間長，運行經(jīng)驗豐富，使用時不會出現(xiàn)不可預(yù)見的技術(shù)問題。
5結(jié)論
　　a) 在變壓器的運行噪聲方面，卷鐵心變壓器要優(yōu)于疊積式鐵心變壓器；
　　b) 在影響產(chǎn)品運行可靠性的抗短路能力方面，疊積式鐵心變壓器比卷鐵心變壓器強；
　　c) 在過負(fù)載能力方面，疊積式鐵心變壓器比卷鐵心變壓器強；
　　d) 在S11系列變壓器制造成本方面，對小容量變壓器，采用卷鐵心結(jié)構(gòu)具有成本優(yōu)勢，容量越小，此優(yōu)勢越明顯；而對較大容量的變壓器，疊積式鐵心變壓器具有一定的成本優(yōu)勢；
　　e) 從技術(shù)及經(jīng)濟角度分析，單相變壓器和小容量的三相變壓器宜采用卷鐵心變壓器，而對中型及以上容量的變壓器，為了保證變壓器的抗短路能力和過負(fù)荷能力，宜選用疊積式鐵心變壓器。
　　總的來說，卷鐵心變壓器的鐵心有其固有的特點，但在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝方面，還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善，以提高變壓器的可靠性。目前，設(shè)計先進(jìn)的較大容量S11系列疊積式鐵心變壓器，由于產(chǎn)品成熟，可靠性高，在市場上具有較強的競爭力。

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