基本介紹
- 中文名：卷鐵心自耦變壓器
- 外文名：wound core auto-transformer
- 目的：降低空載損耗
- 優點：空載損耗小、體積小、噪聲低等
- 系統套用：牽引供電系統
- 套用領域：鐵路
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背景
我國鐵路事業高速發展，在十三五期間，國家規劃了中長期( 至2030年) 高速鐵路規劃圖，八縱八橫高鐵大幹線將形成高鐵網路。伴隨高鐵大發展，鐵路用電量也是規模巨大，我國鐵路牽引用電制式為單相27.5kV，因為其特殊性所以從電力系統中取電就需要牽引變壓器，所以變壓器成為了牽引供電系統中非常重要的一環。
牽引變壓器
針對牽引迴路中產生電磁、電雜音等各種問題，最佳的解決方案是採用AT供電方式；除此之外，採用AT供電方式還可以提高機車的供電質量，減輕相鄰線路通信的干擾，所以自耦變壓器供電方式在我國套用最為廣泛。自耦變壓器是AT供電方式的關鍵，自耦變壓器相比於普通電力變壓器體積更小、重量更輕、損耗更低，既方便運輸，又節省成本。標準要求電氣化鐵路牽引自耦變壓器折算至27.5kV側的短路阻抗小於0.45 ，與常規電力變壓器相比這是一個非常小的短路阻抗值，所以在牽引自耦變壓器的設計中，實現低短路阻抗的要求就顯得至關重要。
作為牽引供電系統的重要組成部分，牽引變壓器的平均負載率並不高，據相關部門統計，複線電氣化鐵路在重載運行情況下，其平均負載係數可達0.5-0.6；但是在一般情況下，平均負載率只有0.3-0.6，單線運行線路空載率達到4成之多。由此可見，變壓器的空載損耗就不能忽視，假若能大幅減小牽引自耦變壓器的空載損耗，這也會是一個不小的節能措施。由於空載損耗主要由鐵心決定，目前多採用新材料和新的鐵心結構來降低空載損耗，其中卷鐵心結構是由矽鋼片卷繞而成，相比於同容量的疊鐵心變壓器空載損耗能減少20%-30%，但是目前卷鐵心變壓器多用在小容量的配電變壓器和大容量的單相變壓器，我國鐵路上的牽引自耦變壓器的鐵心結構多是疊鐵心，如果卷鐵心自耦變壓器得到廣泛套用，那么節電量將是一個非常可觀的數字，所以如果能設計並生產出卷鐵心的自耦變壓器運用在高速鐵路上，其節能的優勢肯定會帶來更大的經濟效益。
卷鐵心變壓器研究現狀
早在上個世紀四、五十年代，國外率先研製單相卷鐵心變壓器。前蘇聯莫斯科變壓器廠最先在小容量單向變壓器中採用卷鐵心結構，美國、日本也研發了小型R型卷鐵心變壓器運用在遊戲機中。我國在20世紀60年代開始研製卷鐵心變壓器，限於當時材料和技術的原因，生產廠家和產品很少。到了20世紀80年代後期，國內的一些廠家才開始生產卷鐵心變壓器，作為全國領先的沈變、天威保變等公司在卷鐵心變壓器的研發投入了較大精力，發展到現在，全國現有卷鐵心變壓器生產廠200多家，形成一定的生產能力的廠家約占總數的20%。
在我國，卷鐵心在變壓器運用最廣泛的方向是農村配電網中的配電變壓器，我國農村人口眾多，農村電網投入大，卷鐵心結構以其低空載損耗的優勢帶來節能效益不可估量。卷鐵心變壓器是由矽鋼片卷繞而成，由最開始的單相卷鐵心發展到後來的立體三相卷鐵心，結構也越來越複雜多樣。
卷鐵心自耦變壓器優點
鐵心是變壓器的主要構件，是變壓器的磁路和骨架，它把一次電路的電能轉化為磁能再轉化為二次側的電能，是能量轉換的媒介。傳統的變壓器一般都使用疊鐵心結構，但卷鐵心結構因為其下列優勢，逐漸發展並得到廣泛套用。
1) 在材質相同的情況下，卷鐵心與疊鐵心相比，鐵損工藝係數從1.2-1.4之間下降到1.05-1.10之間，使鐵損大大下降。
2) 在鐵心直徑相同的情況下，鐵窗高度相同的情況下，卷鐵心結構比疊鐵心結構的鐵心重量要小。
3) 卷鐵心工藝性好。卷鐵心採用機械化生產，沒有橫向剪下，只有縱向剪下，用機械卷繞代替人工疊裝，大大簡化的工藝程式，提高了生產效率。
4) 卷鐵心相對於疊鐵心更是一個牢固的整體，不需要夾件緊固，僅需考慮繞組軸向緊固，整個變壓器就能耐受短路電流引起的電動機械力，抗短路能力強。
5) 卷鐵心是由矽鋼片條緊密繞制而成，沒有對接縫，是一個完整的整體，因此變壓器的噪聲更小，與同條件下的疊鐵心相比，噪聲降低5.10dB。
卷鐵心自耦變壓器鐵心設計及繞組結構
AT供自耦變壓器原理
AT供自耦變壓器是用在牽引供電系統中的一種特殊的單相變壓器。自耦變壓器與普通電力變壓器的區別是一、二次繞組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯繫。正因為如此，在傳輸容量相同的條件下，自耦變壓器與普通的電力變壓器相比，尺寸更小，效率更高。
圖2-1
AT供單相自耦變壓器繞組電路連線關係如圖2-1所示，其中AB繞組是串聯繞組；CD繞組是為高壓側和低壓側共有的，通常稱為公共繞組。
AT供自耦變壓器卷鐵心
（1）鐵心結構及尺寸
圖2-2
1) 鐵心結構選擇
AT自耦變壓器是單相變壓器，這種大容量的單相變壓器的鐵心一般採用單相雙框式或者是單相單框式。單相雙框式結構鐵心、繞組及油道設定如圖2-2所示，兩個部分的鐵心獨立繞制；單相單框式結構鐵心、繞組及油道設定如圖2-3所示。其各自的優勢劣勢如下：
單相雙框式鐵心
劣勢：拼合難度大；線圈高度高，加上端部絕緣部分，圈製造造成困難；抗短路能力較弱
單相單框式鐵心
優勢：抗短路能力強；繞組分散，利於散熱
圖2-3
劣勢：線圈繞制的工作量翻倍；對線引線更複雜
綜合考慮兩種鐵心結構優缺點，尤其是單相單框式結構在抗短路能力上的優勢，採用單相單框式鐵心結構。
2) 鐵心直徑
鐵心直徑選取是否合理，將直接影響變壓器的材料消耗、變壓器重量、體積、成本、運輸及主要性能指標。如果鐵心直徑選取過大時，變壓器的重量將會增加，空載損耗增加，這樣運輸成本也會增加，變壓器的外形也更加矮胖，而導線重和負載損耗會減小。如果變壓器鐵心直徑選取過小，會得到相反的結果。
3）鐵心材料
鐵心作為變壓器的骨架和導磁構件，其性能至關重要，而變壓器鐵心的性能又主要是由其材料所決定。為使變壓器性能達到要求，鐵心材料必須滿足兩點要求：
第一，材料要有較高的磁導率，這樣在同樣的磁通密度下，傳導的磁通量就大，所需的鐵心材料就少，變壓器鐵心的體積和重量也較小，相對而言可節省矽鋼片、銅線和絕緣材料，方便運輸節省成本；
表2.3
第二，材料的單位損耗要低，變壓器的空載損耗是由鐵心的材料所決定的，單位損耗越低，相應的空載損耗就越低，同時損耗產生的溫升也降低，對變壓器的性能就有顯著提升。目前，變壓器鐵心材料多使用矽鋼片，而矽鋼片按生產工藝分為冷軋矽鋼片和熱軋矽鋼片，冷軋矽鋼片又分為晶粒有取向和晶粒無取向矽鋼片，不同矽鋼片材料的特點和性能如表2.3所示。
經過上表中的矽鋼片的性能比較，雖然工藝相對較複雜，但冷軋矽鋼片在損耗方面具有較大優勢，採用取向高導磁矽鋼片。
（2）加工工藝
由於卷鐵心的結構和疊鐵心結構的區別，所以卷鐵心的製造過程同疊鐵心相比也有本質的不同。疊鐵心和卷鐵心的基礎材料都是矽鋼片，疊鐵心通過不同大小的矽鋼片堆疊而成，卷鐵心通過集中寬度不同的矽鋼片卷繞而成。按鐵心層內有無接縫，卷鐵心又分為切斷和不切斷兩種結構。其中切斷結構多用於柱截面為矩形或者是橢圓形的鐵心，適用於三相五柱式鐵心；不切斷結構鐵心柱截面為正圓形或者R形，多用於單柱式或雙柱式鐵心。本文中的自耦變壓器結構採用單柱式結構，卷鐵心採用不切斷及無接縫結構，其卷繞過程是連續的，整個鐵心的磁化方向與矽鋼片的軋制方向也一致，磁路各路磁通分布均勻。理想退火情況下，單相卷鐵心的工藝係數可以達到1.02，勵磁電流相對於疊鐵心可以降低75%左右。
卷鐵心的製造過程可分為如下幾個部分：
1）縱剪開料
按照設計要求縱剪合適寬度後，在折線開料機上開料。開料機在調試使用當中可能出現料帶跑偏、料帶卷邊、料帶毛刺，送收料同步、刀頭微動精度等問題。
2）卷繞
將心模板安裝在支撐軸上，繞後將開好的料帶按照設計圖紙逐條卷繞在心模板上。卷繞過程中要解決平面齊整度、料帶導向、張力控制、卷繞鎖制、心模脫卸等諸多問題。
3）卸料翻轉
鐵心重量重達好幾噸，需要設計工裝解決鐵心重量從支撐軸轉移並翻轉問題。
4）退火
退火工藝曲線關乎退火成敗，正空度、溫升速度、分幾個階段升溫、保溫溫度、保溫時間、降溫速度、充氮氣時刻等多個參數都舉足輕重。真空度不夠，矽鋼片表面將被氧化，升溫速度過快矽鋼片將產生應變，鐵心變形，退火效果大打折扣，升溫速度過慢則浪費能源增加費用，保溫時間類同。
5）鐵心拼裝
將兩半鐵心拼合，中間設定油道，安裝鐵心拉板及夾件，安裝支撐的木件，並用綠綁帶綑紮為一體。
AT供自耦變壓器繞組結構
變壓器繞組結構大體上可以分為兩類，層式繞組和餅式繞組。層式繞組又稱為圓筒式繞組，其中套用最為廣泛的是雙層及多層圓筒式繞組，其結構簡單，常用於35kV及以下的中小型油浸式變壓器，構成整個繞組的材料及零部件有導線、厚紙筒、端絕緣、層絕緣、油道支撐、靜電屏。雖然其製作簡單，工藝性好，但端部支撐的穩定性不好，所有層式繞組，尤其是多層式繞組的雷電衝擊性能好，在超高壓變壓器領域有所套用，但它的廣泛套用受制於其軸向支撐的穩定性較差。餅式繞組包括連續式、糾結式、內禁止式、螺旋式以及更加複雜的交錯式繞組，餅式繞組機械強度高，散熱性好，在目前得到廣泛的使用，其中的糾結式繞組和內禁止式繞組，可以增加繞組的縱向電容，改善繞組衝擊電壓的分布，衝擊特性較好，適用於高電壓等級的變壓器。綜合分析兩種繞組結構，採用餅式繞組結構。
