节能型卷铁心牵引变压器结构及性能分析

王冬梅　宋慧欣

【摘 要】节能型卷铁心牵引变压器较普通牵引变压器有明显的性能优势，文章详细介绍了节能型牵引变压器的结构特点和性能，并对其应用及发展前景进行分析。

【关键词】节能型；卷铁心；空载损耗；磁路

0 引言

随着交流传动技术不断发展，机车功率逐步增大，牵引变压器也呈现大容量化发展趋势。然而，我国电气化铁路牵引负荷利用率较低，据铁道部门实际记载，单线电气化铁路空载运行时间时常高达40%～50%[1]，因而牵引变压器空载损耗变得越来越不容忽视，对牵引变压器的节能研究也越发受到重视。2014年11月底，由西南交通大学高仕斌教授主持研制的世界上首台220kV超低损耗卷铁心节能型牵引变压器研制成功，这对于铁路供电系统的节能减排工作具有重大意义。

1 节能型牵引变压器结构

卷铁心是由若干根一定形状的硅钢片连续卷绕而成，卷绕紧密，整个磁路中没有气隙，且连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性，相比于传统变压器的叠铁心结构，空载损耗可以降低20%～35%。文章所提及的节能型卷铁心牵引变压器为V/X接线方式，由两台单相三绕组变压器构成，下面对其铁心和绕组结构进行介绍。

1.1 铁心材料及结构

变压器的铁心一般由硅钢片组成，硅钢片按照加工方法不同可以分为冷轧硅钢片和热轧硅钢片，与热轧硅钢片相比，冷轧硅钢片的性能优势更为明显，主要体现在以下几个方面：

（1）磁饱和点较高，在1.89T左右；

（2）在相同磁通密度及相同频率下，单位损耗小；

（3）硅钢片的材质硬度高；

（4）方向性强，当磁力线的方向与硅钢片的轧制方向一致时，损耗最小；

所以采用冷轧硅钢片，既可以满足对电阻率的要求，同时可以降低损耗。

一般的单相卷铁心可以分为双框式和单框式两种结构[2]，本文介绍的卷铁心变压器采用单框式结构，其铁心结构及绕组排列方案如图1所示。该方案由两个单独卷绕的半铁心拼接而成，中间放置油道。对于高压绕组，选择采用两部分并联结构。

这种结构形式，由于高压线圈并联，相间等电位或电位差很小，留够机械距离和绕制裕度即可；线圈分布在两个柱上，热源分散，更利于散热；低压内撑条可靠支撑，抗短路能力强。但线圈绕制工作量大，引线接线较复杂；铁心外轮廓表面是球面，绝缘件及垫块制作困难，必要时需采取浇注手段。

1.2 绕组排列方案

为使列车运行时大部分牵引电流沿馈电线而不是沿轨道和地返回牵引变电所，并降低对邻近通讯线路的干扰，V/X接线牵引变压器短路阻抗匹配应满足以下要求：

为满足式（1），采用交错配置牵引绕制和馈电绕组，做到结构上的对称，如图2所示方案，图中F对应馈电绕组，T对应牵引绕组。对于式（2），容量较大的V/X牵引变压器比较容易满足，而对容量相对较小的牵引变压器（如容量在10MVA～16MVA区间内）则不容易满足，这时需通过减小绕组匝数、增大铁心直径的方法来实现[3]。

2 节能型牵引变压器性能分析

节能型卷铁心牵引变压器与普通叠铁心牵引变压器相比性能优势明显，主要体现在以下几个方面：

（1）磁路优化：

采用卷铁心技术，层间无接缝，磁路分布均匀，无高阻区，避免了接缝处磁通密度畸变情况；磁通方向与硅钢片晶体取向一致，可降低磁阻；三相磁路完全对称，三相空载电流完全平衡[4]。

（2）损耗低：

在材质相同的前提下，卷铁心与叠铁心相比，铁损工艺系数从1.3～1.5下降到1.05左右，可使铁心损耗降低10%到20%。

经高温（800℃）真空充氮退火处理，不仅消除了铁心的机械应力，而且细化了硅钢片的磁畴，提高了硅钢片二次再结晶能力，使硅钢片的性能大大优于出厂时的性能。在同等容量情况下，卷铁心牵引变压器可降低空载损耗40%以上[5]。

（3）噪音小：

叠铁心变压器振动产生噪音的主要原因在于：磁路不连续，漏磁大，工作磁密过高。而卷铁心是将硅钢片条料不间断、紧密连续卷制而成，没有接缝，不会产生如叠铁心那样因磁路不连续而发出的噪音；三相磁路、磁通完全对称，工作磁密设计合理，因而噪音大大降低。

（4）过载能力强：

卷铁心牵引变压器空载损耗、空载电流都非常小，所以本身发热量较低，另外由于其结构特点，热源较为分散，利于散热。

3 应用及发展前景

牵引变压器是牵引供电系统最重要的电能传送设备，而牵引变压器仅在列车通过时短暂工作几分钟，平均每天有40～50%的时间处于空载状态，造成的空载能耗不容小觑，这些空载损耗不仅带来巨大的经济损失，更加重了电力系统节能减排的压力，节能型牵引变压器的研制成功对于解决此问题具有重要作用。根据我国铁路规划，预计到2020年全国铁路总运营里程规划目标将达到12万公里以上，其中电化率将达到60%[6]。截至2013年底，我国电气化铁路总里程约为5.4万公里，若按每50公里一个20MVA变电所空载损耗下降5kW计算，每年可节能4700万千瓦时。若将卷铁心技术推广到AT牵引变压器中，则节能效果将更加显著。

近年来，我国高铁“走出去”的速度越来越快，节能型卷铁心牵引变压器作为高铁产业链条上的一环，若能一同走出国门，将通过降低空载能耗大幅降低高铁运营成本，这是其他国际竞争对手无法比拟的优势。同时就变压器产业本身来说，卷铁心牵引变压器的研制成功对于提升中国变压器产品水平，促进具有自主知识产权的电气化设备出口具有积极意义。

4 总结

节能型卷铁心变压器因其独特的结构特点，与普通牵引变压器相比具有空载损耗低、抗突发短路能力强、噪音低等综合优点。虽然目前的卷铁心技术普遍多用于农网、城网以及厂用配电变压器，但随着卷铁心技术的不断发展，相信在未来的高铁建设中，节能型卷铁心变压器将发挥重要作用。

【参考文献】

[1]张子学.电气化铁路站用牵引变压器损耗比问题[J].变压器，1994（4）：32-34.

[2]董智慧.电气化铁路节能型卷铁心牵引变压器建模与仿真[D].成都：西南交通大学，2014.

[3]盛剑霓.工程电磁场数值分析[M].西安：西安交通大学出版社，1991，7-29.

[4]ReasonJ. Communications Alternatives For Distribution Automation[J]. Electrical World， 1993（4）：45-49.

[5]章文斌.关于S11型变压器卷铁心退火的工艺的探讨[J].科教导刊，2009.

[6]铁道部.中长期铁路网规划（2008年调整）[DB/OL]. [2010-09-07].

[责任编辑：汤静]