非晶合金变压器在城市轨道交通行业的应用研究

李坚生

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010）

0 引言

非晶合金材料早在20 世纪70 年代开始研制，具有优异的导磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等诸多独特性能。我国非晶合金动力变压器的研制工作始于“七五”期间，1986 年，试制出国内第一台单相3kVA 非晶合金动力变压器。由于非晶合金变压器节能效果明显，在各行各业应用广泛。在城市轨道交通领域，非晶合金干式变压器应用也日益广泛，其容量最大达2500kVA，额定电压最高达35kV。自上海城市轨道交通11 号线于2011 年4 月挂网运行35kV 非晶合金干式变压器（动力变）以来，目前，35kV干式非晶合金变压器已在上海11 号线迪士尼、17 号线、14 号线、15 号线、18 号线等线路上得到大量应用。其他城市如广州城市轨道交通、成都城市轨道交通、大连城市轨道交通、深圳城市轨道交通均有线路应用。

1 非晶合金的机理

非晶合金变压器以铁基非晶态金属作为铁芯，铁基非晶态金属主要以铁、镍、钴等金属组成，并加入少量的硼、硅等元素制成的合金，具有良好的铁磁性。

物质就其原子排列方式来说，可以分为晶态和非晶态两类。对于导磁的金属来说，在通常情况下，金属及合金在液态凝固成固态时，原子总是从液态的混乱排列转变成整齐的排列，成为晶体。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快（冷却速度106℃/s），原子来不及排列整齐便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于玻璃，混乱无序，这就是非晶合金。

2 城市轨道交通动力变压器的应用场景

根据城市轨道交通的运营计划，城市轨道交通变压器的日负荷特性可以分为两个阶段。0：00—5：30各车站处于夜间停运模式，仅有少量的应急照明负荷、部分设备房间的小系统空调负荷和维修用电负荷；5：30—24：00 进入区间隧道通风和白天的正常运营模式。理想负荷曲线如图1 和图2 所示，但是用电负荷曲线随时间时刻变化，存在明显的峰谷值，比较典型的车站动力变压器用电负荷曲线如图3 所示。负荷一方面体现出明显的两个阶段，另一方面也体现出明显的时变性，峰值负荷的波动较大[1]。

图1 冬、春季动力变压器典型负荷曲线

图2 夏、秋季动力 变压器典型负荷曲线

图3 典型车站动力变压器日负荷曲线

此外，轨道交通的动力负载除了日常的时段变化外，还跟线路运营时长存在关系。普遍认为，在线路开通初期，变压器的负载率不高，随着线路近期和远期的乘客密度、列车的行车密度上升，车站的负载率也会有所增加。

目前，城市轨道车站和车辆段降压变电所动力变压器的运行负载率普遍偏低，造成动力变压器的安装容量过大，供电系统运行的固有损耗偏大，运营不经济。但是，在实际运行过程中，也存在变压器容量选型偏紧的情况，对后期运营造成困难，合理选择变压器容量的前提是准确估算用电负荷。

3 非晶合金变压器的经济性分析

非晶合金变压器的最大优点就是空载损耗低，相比传统SC（B）10 系列变压器空载损耗降低60%～70%，相比SC（B）13 系列节能变压器空载损耗降低50%～60%。非晶合金变压器的低空载损耗特性贴合城市轨道交通供电系统的需求，非常有效地降低运营能耗。

与电力变压器一样，采用TOC 法，从初始投资和运营损耗损失两个方面进行考虑与核算，其中由于13系列能效1 级电工钢变压器和15 系列能效1 级非晶合金变压器在负载损耗上也存在差异（见表1）。因此，负载损耗引起的差异也列入考核范围，负载率按年平均60%计算，电费取0.8075 元/kWh[2]。

表1 SCBH15 非晶合金变压器相对于SC（B）13 能效1 级电工钢变压器经济性对比

通过以上分析，可以看出相对于SC（B）13 能效1级电工钢变压器，SCBH15 系列能效2 级非晶合金变压器均可取得较好的收益，回报年限均在6～7 年左右。此外，在城市轨道交通供电系统中，变压器是主要的发热设备，非晶合金变压器的应用还可以减轻环控系统的负荷，降低环控系统的工程投资。

4 非晶合金变压器的适用性分析

4.1 故障分析

目前，多地城市轨道交通运营公司反映区间跟随式降压变电所非晶合金变压器凝露现象比较严重，造成变压器绝缘能力降低，甚至部分出现闪络的现象。以某地铁区间跟随式降压变电所非晶合金变压器故障为例进行说明。

2022 年4 月30 日凌晨，根据现场通知，供货商售后服务人员配合现场对X 区间所1#变压器A 相异响进行处理。随后，当日凌晨3：31 对变压器再次送电。送电时，变压器出现异响且有红光发生，高压开关报过流保护动作，随即停电检查变压器，发现C 相高压线圈出现电弧灼烧的痕迹。4 月30 日晚至5 月1 日凌晨，供货商技术人员与项目各方共同对该设备进行检查与测试，发现现场变压器内有凝露，C 相高压线圈有闪络造成的电弧灼烧痕迹，并发现C 相线圈连接杆及线圈的上下夹件存在多处放电痕迹，直流电阻测量发现C 相高压线圈下半部分存在断线情况。

检查变压器外观，发现C 相存在多处放电点及电弧灼烧痕迹。从变压器C 相出现多处放电点及闪络灼烧的痕迹，可以判断C 相线圈曾出现较为严重的过电压放电现象，并形成沿面闪络，产生电弧灼烧线圈和垫块表面。

在拆解过程中，发现整台变压器积尘严重，局部区域存在水滴。检查三相线圈表面，发现内表面均存在放电痕迹，C 相最为严重。将三相线圈和绝缘筒拔出，进行外观检查，低压线圈和内绝缘筒基本正常，三相高压线圈内表面均存在不同程度的放电痕迹。

从解剖情况可以看出，失效部位在线圈内的影响范围很小，只有底层最靠边的导体烧断，烧穿了对应部位的线圈内层绝缘，并且可以清晰看出对应上层导线基本未受影响，对应匝间绝缘完整，判断故障点不在线圈内部的层间和匝间。

委员会负责制作为一种组织结构形式，其主要特点是民主决策和集体行动。国立北平图书馆委员会是常设委员会，是讨论和决策馆务大事的机构，其委员为名誉职位，除正、副馆长之外，其余委员均是从馆外聘请的专家、学者。建筑委员会是临时性委员会，负责讨论和决策新馆建筑建设事务，新馆落成后即解散，其委员除副馆长（代理馆长）袁同礼外，其余均从馆外聘请。购书委员会是常设委员会，负责讨论和决策中西文图书采访的方针和规则，其委员除少数为馆内职员外，多数从馆外聘请。

当线圈内表面出现带粉尘污秽的连续水膜时，其表面体积电阻率大幅度下降，此时将形成典型的沿面放电现象（具体过程可参见《高电压绝缘技术》），泄漏电流沿线圈表面并逐步形成放电通道，将线圈内表面绝缘烧蚀，形成树枝状放电痕迹，导致绝缘薄弱点，达到局部电弧发展阶段。在该事件过程中，当合闸产生操作过电压时，在绝缘薄弱位置与地电位之间形成闪络。

从该事件过程看，当合闸时产生操作过电压，激发了绝缘薄弱部位与地电位之间的表面闪络，一段时间后最终导致线圈内表面与地电位之间电弧贯穿。

从保护记录来看，零序过流启动导致速断动作，同时C 相电压大幅度下降都表明发生了对地短路。此次的击穿现象是与线圈内部匝间或层间短路造成的失效情况存在明显区别，典型的内部匝间或层间短路会在短路点位置积聚并释放大量能量，从而使短路点周围导体烧熔和树脂碳化，在线圈表面形成喷射状破坏现象，内部烧蚀十分严重，且线圈内部影响范围大于外部[3]。

该内部影响范围很小，仅在断线点附近极小范围内的绝缘烧蚀，烧穿了对应部位的线圈内层绝缘，对应上层导线基本未受影响，对应匝间绝缘完整，线圈内部无短路点。由此可以判断，该故障原因是线圈内表面与地电位之间电弧击穿，导致短路。

4.2 故障原因

经研究，主要有以下三点原因：

4.2.1 区间跟随式降压变电所变压器负载率低，非晶变压器空载损耗低，设备自身损耗发热低。区间跟随式降压变电所一般与区间风井合建，变电所负荷以消防负荷为主，变压器容量按消防负荷计算。同时，考虑单台变压器故障带全所一、二级负荷的情况，导致区间风井变压器正常运行的负载率非常低，通常负载率只有10%～15%。叠加非晶合金变压器的低空载损耗特性，变压器本身损耗发热低。

4.2.2 城市轨道交通的地下设备房环境湿度大、灰尘多，而区间风井设备房的空调系统不具备抽湿功能。设备表面温度不高，空气湿度大，导致设备表面凝露。设备表面灰尘多，叠加凝露，形成良好的放电回路。可通过在区间设备房增设抽湿设备解决，但会增加设备投资，以及带来更多的设备运营成本。

考虑上面的三点原因，非晶合金变压器在区间跟随所降压变电所的应用优势不明显，综合运维成本，常规电工钢变压器的使用效果更佳。

4.3 缺点

非合金变压器除了其优异的节能特性外，也存在一些设备固有的缺点。

4.3.1 脆性

非晶合金带材具有脆性，其抗外应力性能不及硅钢片变压器。干式非晶合金带碎片的产生主要发生在生产环节，在工厂浇筑完成后再产生碎片的可能性很小。近年，随着生产工艺及运输防护技术的提高，非晶合金碎片化的缺陷已有很大改善。

4.3.2 噪声大

非晶合金变压器的噪声主要来源于非晶合金变压器铁芯、绕组及其他装置（冷却装置）等。变压器在运行过程中，非晶合金带材的磁致伸缩现象是引起铁芯振动和噪声的主要原因。由于非晶合金带材的磁致伸缩率比硅钢片大，因此非晶合金变压器噪声比硅钢变压器略大。

4.3.3 体积、重量更大

非晶合金变压器由于其铁芯工艺和结构方面的原因，产品的体积、重量通常比同容量常规硅钢片变压器大约10%和20%。由于城市轨道交通的设备房多位于地下，体积和重量均更大的非晶合金变压器对设备运输和安装提出更高的要求。

4.3.4 价格更贵

相同容量的非晶合金变压器比传统硅钢变压器贵20%～30%。一方面源于非晶合金变压器的制造门槛更高，非晶合金带材的成本也更高；另一方面，目前非晶合金变压器的使用尚处于逐步推广扩大阶段，特别是轨道交通行业，各地尚处于试点应用阶段，量少不利于设备的规模化集约化生产。随着将来设备的普遍应用，其产品造价还有一定的压缩空间[4]。

5 结语

综上所述，非晶合金变压器非常符合城市轨道交通的负荷特性，也符合当下社会绿色节能的社会主基调。从全生命周期成本来看，经济效益显著，有非常宽广的应用前景。但是，在地下区间跟随式降压变电所的应用场景下还有所局限，随着产品技术的发展，这些问题也必将得到很好的解决。