S13立体卷铁心变压器技术探讨

王钦波，祝燕清，齐玉明，张付义，范克科，许岐岐

（1.济南清河电气有限公司，山东济南250116；2.国网山东宁津县供电公司，山东德州253400）

S13立体卷铁心变压器技术探讨

王钦波1，祝燕清1，齐玉明2，张付义1，范克科1，许岐岐1

（1.济南清河电气有限公司，山东济南250116；2.国网山东宁津县供电公司，山东德州253400）

探讨了S13系列立体卷铁心变压器和传统叠铁心S11变压器的结构特点，并根据各自的结构分析其空载损耗、空载电流、承受短路的能力和过负载能力等性能，对两者的经济性做论证分析。在经济技术性能方面，卷铁心变压器优于叠铁心变压器。S13立体卷铁心变压器具有低损耗、低噪音、低成本、节能环保等优点。

立体卷铁心；低损耗；低噪声；节能

0 引言

节约能源使用节能产品是我国的一项基本国策。开发低损耗变压器的主要手段是采用新材料，应用新结构和新工艺。除此之外变压器行业对铁心结构也进行了大量的研究和开发工作，各种结构的铁心不断出现。S13立体卷铁心变压器提高了电压质量和供电的可靠性，更有利于环保。

1 立体卷铁心与叠片铁心比较

传统变压器的铁心采用平面结构及叠片工艺，存在三相磁路不平衡，局部磁通方向和硅钢片导磁方向不一致以及多处空气接缝等缺陷，制约了变压器能效水平的提升。立体卷铁心磁路中无空气隙，卷绕紧密，3个磁路长度一致，且都最短，铁心心柱的横截面更接近于圆形。这些结构上的特点使该种变压器具有明显的优点，如节省材料、性能高、损耗低、噪声低、三相磁路平衡、三次谐波少等，立体卷铁心三相磁路如图1所示。

立体卷铁心是由3个几何尺寸相同的卷绕式铁心单框拼合成的三角形立体布置的铁心。每个柱体由优质冷轧硅钢薄带连续卷制，带宽经数控开料机作直线或曲线剪切，这种套裁可以做到无废料加工，即套裁时材料利用率接近100%。叠片铁心是由剪切成一定形状的硅钢铁心片叠装而成，在制造过程中为了剪切成规定的形状就会冲去一些边角，材料的利用率大大降低。据有关生产厂家推算这部分废料大概占叠铁心总重的5%左右。

图1 立体卷铁心三相磁路示意

立体卷铁心和叠片铁心的填充系数也存在一定的差别。图2、图3分别为立体卷铁心和叠铁心变压器截面图。

图2、图3比较可以发现，立体卷铁心截面是接近于圆的一个规则多面体，填充系数大，而叠片铁心是阶梯型，填充系数小。在相同截面积下填充系数大成型后铁心直径相对就要小一些，铜线用量相应的也就轻，降低变压器整体成本。表1为相同参数下立体卷铁心与叠片铁心的质量对比［1］。

图2 立体卷铁心变压器铁心截面

3个几何尺寸相同的卷绕式铁心单框拼合成的三角形立体布置的铁心，材料利用率高，填充系数大，大大降低变压器成本。立体卷铁心较叠铁心技术性能更强，经济性能更高。

2 S13立体卷铁心变压器技术特点

2.1 低损耗、重量轻

立体卷铁心的磁化方向完全与硅钢片的轧制方向一致，且铁心层间没有搭头接缝，磁路各处的磁通分布均匀，没有明显的高阻区，没有接缝处磁通密度的畸变现象。在材质相同的前提下，卷绕式铁心与叠片式铁心相比，铁损工艺系数从1.15～1.3下降到1.05～1.1，仅此一项可使铁心损耗降低10%～20%。

通过实际数据对比，同等容量卷铁心变压器比叠铁心变压器铁心重量减少18%，节约铜3%左右。

2.2 低噪音

变压器本体振动产生噪音的主要原因：硅钢片的磁致伸缩引起铁心振动；硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力，引起铁心振动；铁心的材质太差，损耗太高；变压器铁心制造工艺；变压器设计过程中的磁通密度。

由于三维立体卷铁心是将硅钢片条料在专用的铁心卷绕机上不间断、紧密连续卷制而成，没有接缝，磁路畅通不会产生磁阻现象也就不会产生叠片变压器连续而发的噪音。同时，三相磁路、磁通完全对称，工作磁密设计合理，因而产品噪音大大降低。

2.3 过载能力强

立体卷铁心变压器三相线圈呈“品”字形排布，如图4所示，在线圈间形成一条上下贯通的中心天然通道，由于上下铁轭温差30～40℃，产生强烈的对流，热量从上铁轭内斜面辐射出去，自然循环中迅速带走变压器产生的热量。因此，该变压器的绕组、铁心散热好，温升低，过载能力强。

图4 线圈布置图

3 S13立体卷铁心变压器经济性能

立体卷铁心变压器的节能效果和经济性已经得到广泛的认可。下面以S13-M.RL-630/10变压器和S11-M-630/10变压器为例进行比较，两种变压器主要参数如表2所示［2-3］。

表1 相同参数下立体卷铁心与叠片铁心的质量对比

表2 两种变压器主要参数

表2中变压器材料单价：S13用硅钢片为25元/kg，S11用硅钢片为15元/kg，铜线为56元/kg，油为10元/kg，油箱为9元/kg。

3.1 S13-M.RL-630/10变压器1年变电成本

1）产品价格估算。

式中：A1、A2、A3、A4分别为硅钢片、铜线、油箱、变压器油单价，元/kg；G1、G2、G3、G4分别为硅钢片、铜线、油箱、变压器油质量，kg；K1定价系数，取1.3；K2为主材占全部材料成本百分比，取0.85～0.9。

2）变压器运行1年的电费。

式中：t0为变压器全年实际空载小时数，h；tk为变压器全年实际负载小时数，h；K4为无功当量；A为电费，元/kWh；P0为空载损耗，kW；Pk为负载损耗，kW；I0为空载电流，%；uk为阻抗，%；Pn为变压器容量，kVA。

3）变压器运行1年的电量损失qp1。

3.2 S11－M－630／10变压器1年运行成本

1）产品价格估算。

式中：A5、A6、A7、A8分别为硅钢片、铜线、油箱、变压器油单价，元／kg；G5、G6、G7、G8分别为硅钢片、铜线、油箱、变压器油质量，kg。

2）变压器运行1年的电费Cp。

3）变压器运行1年的电量损失qp2。

3.3 两种变压器经济性比较

两种变压器经济性比较如表3所示。

表3 两种变压器经济性比较

由表3可以看出，S13-M.RL-630／10与S11-M -630／10相比较价格高4 170元，1年运行电费节约3 841元，1年节约电量2 103 kWh。S13卷铁心变压虽然一次投资比S11叠铁心变压器高，但不到15个月便可收回差价成本。

4 结语

通过以上的探讨和具体的数据分析，可以看出S13立体卷铁心变压器与叠铁心变压器相比较，从技术层面上S13卷铁芯变压器具有噪音低、损耗低、重量轻、过载能力强、运行安全可靠的明显优势，在经济性能方面，S13立体卷铁心变压器节约电量、减少运行费用、明显提高了用电单位的经济效益。

［1］郭献清.S13立体卷铁心变压器基本特性浅析［J］.变压器，2012，49（5）：27-37.

［2］GB6451—2008油浸式电力变压器技术参数和要求［S］.

［3］JB／T10088—20046 kV～500 kV级电力变压器声级［S］.

［4］李湘生，陈乔夫.变压器的理论计算与优化设计［M］.武汉：华中大学出版社，1990.

Technology Study on Series of Three Dimensional Wound Core Transformer S13

The structure characteristics of three dimensional wound core transformer S13 and traditional laminated core transformer S11 are discussed.The no-load loss，no-load current，the ability to withstand short circuit and load capacity are analyzed according to their structural analysis.The economy is also been analyzed.In terms of economic and technical performance，the wound core transformer is superior to the laminated core transformer.S13 three-dimensional wound core transformer has the advantage of low loss，low noise，low cost，energy conservation，environmental protection，etc.

three dimensional wound core；low loss；low noise；energy conservation

TM411

：B

：1007－9904（2014）03－0046－03

2014-05-10

王钦波（1963—），男，高级工程师，长期从事变压器设计及研发工作；

祝燕清（1981—），女，助理工程师，从事变压器设计及研发工作。