1、引言 目前，我國使用的配電變壓器絕大部分是傳統(tǒng)的疊鐵心變壓器，型號(hào)多為S9型，甚至還有S7、SJ7型。近幾年，S11 型變壓器在城鄉(xiāng)屯網(wǎng)建設(shè)和改造中得到推廣應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的節(jié)能效果，但是由于材料價(jià)格的迅猛增長(zhǎng)使它的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)并不明顯。因此，提供更加節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保的產(chǎn)品是變壓器制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。立體三角形卷鐵心變壓器突破了傳統(tǒng)的平面形結(jié)構(gòu)，克服了結(jié)構(gòu)缺陷，帶來了一系列的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)更合理，性能史優(yōu)良，制造成本降低明顯，既符臺(tái)電力行業(yè)節(jié)能的要求，又符合制造企業(yè)的成本、質(zhì)量目標(biāo)。 2、鐵心結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新 傳統(tǒng)的帶空氣氣隙的疊鐵心，A—C相之間的耦合磁路，顯然要比A—B相、B—C相的磁路長(zhǎng)1/2，因而磁路不平衡，A—C相的磁阻較大大（見圖1）。當(dāng)將三相電壓施加到變壓器上后，鐵心便產(chǎn)牛三相平衡的磁通φA、φB、φC，三相平衡的磁通經(jīng)過不平衡的磁路時(shí)，A、c相的磁壓降大，影響三相電壓的平衡。這種磁回路上的不平衡對(duì)于平面形變壓器來說是無法克服的結(jié)構(gòu)缺陷。 [ALIGN=CENTER] 圖1 平面形鐵心結(jié)構(gòu)[/ALIGN] 從原理上分析，三相變壓器的磁路完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)最理想，這在變壓器發(fā)明之初就被認(rèn)識(shí)，只是因?yàn)榧夹g(shù)原因一直沒能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。隨著卷鐵心變壓器工藝的不斷成熟，當(dāng)我們使用立體思維，把3個(gè)等長(zhǎng)磁路的幾何方框特點(diǎn)考慮進(jìn)去，就構(gòu)造出個(gè)對(duì)稱的立體三角形卷鐵心結(jié)構(gòu)：采用3只相同的單框，每框的截面為半圓形，截面上的直徑與心柱中心連線的夾角成準(zhǔn)確的30°，把3個(gè)框組合在一起，心柱的截面成一個(gè)整圓，而鐵軛的截面為半圓形，3個(gè)心柱呈等邊立體三角形立體布置（見圖2）。 [ALIGN=CENTER] 圖2 立體角形鐵心布置及單框[/ALIGN] 3、與平面疊鐵心的技術(shù)比較 鐵心結(jié)構(gòu)和制造工藝的改變，使立體三角彤卷鐵心變壓器與傳統(tǒng)平面疊鐵心變壓器技術(shù)上有根大小同。 1）鐵心框由很少的幾根硅鋼帶連續(xù)地卷繞而成，無接縫、無空氣間隙；每個(gè)框都是封閉形磁路導(dǎo)體，能充分發(fā)揮冷軋硅鋼片的取向性能，所以空載性能提高明顯。尤其空載電流中尤功分量降低明顯，可以提高功率因數(shù)，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。 2）鐵心繞制緊密，不用夾緊，疊片系數(shù)高，噪聲降低明顯，符合環(huán)保要求。以200 kVA為例，經(jīng)權(quán)威部門檢測(cè)，立體三角形卷鐵心變壓器樣機(jī)只有33.6dB，平面疊鐵心變壓器樣機(jī)為51 dB，而國標(biāo)要求為54dB。 3）A——C相間的磁路變短，達(dá)到與A—B相、B—C相等長(zhǎng)且最短布置，實(shí)現(xiàn)了三相磁路的完全對(duì)稱，保證三相電壓平衡。 4）3個(gè)框磁通自成回路彼此互不影響，3次諧波磁通可以在各自框中自由的流通，心柱中的合成磁通品質(zhì)優(yōu)于平而形鐵心。 5）卷鐵心截而形式多樣，可足階梯形、純圓形、多邊形或由多邊形和一段圓弧形組合存一起的“復(fù)合形”（見圖3），而疊鐵心截面只能是階梯形，所以卷鐵心心柱截面圓內(nèi)的空間填充系數(shù)比疊鐵心高4%—6%。 [ALIGN=CENTER] 圖3 鐵心截面形式[/ALIGN] 6）卷鐵心橫剪“V”口時(shí)產(chǎn)生廢料，硅鋼片利用率最高95%，當(dāng)卷鐵心截面是多邊形時(shí)，硅鋼片的截剪利用率高達(dá)100%。 7）生產(chǎn)機(jī)械化程度高，不需要疊鐵心的橫剪、人工疊片、拆插鐵軛等手工操作，減少5～6道工序，質(zhì)量易控制。 4、節(jié)能分析 （1）空載性能的節(jié)能分析 使用相同材質(zhì)的銅線、硅鋼帶，在鐵心直徑相同、成本接近的情況下，設(shè)計(jì)加工315 kVA立體三角形卷鐵心、疊鐵心變壓器各一臺(tái)，進(jìn)行性能和成本比較（見表1）?？梢娙切尉龛F心變壓器的空載損耗下降約30％．主要原因如下。 [ALIGN=CENTER]表1 315 kVA平面疊鐵心與三角形卷鐵心變壓器主要材料及性能比較 [/ALIGN] 1）鐵心重量減輕，鐵心空載損耗會(huì)降低。這由空載損耗計(jì)算公式即可看出 式中，是鐵心的單位重量損耗，由磁通密度決定； 是工藝系數(shù)；G是鐵心總重量。 2）兩方面原因使空載損耗工藝系數(shù)降低：鐵心框由硅鋼帶連續(xù)地卷繞而成，無接縫、無卒氣間隙，比疊鐵心更能充分發(fā)揮冷軋硅鋼片的取向性：鐵心采用完全退火工藝，能徹底消除機(jī)械加工中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使硅鋼片原有導(dǎo)磁性能得到恢復(fù)，無高磁阻區(qū)存在。據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，立體三角形卷鐵心丁藝系數(shù)可以達(dá)到1.05～1.1，而疊鐵心工藝系數(shù)為1.15～1.3。 變壓器的空載損耗是與負(fù)荷大小無關(guān)的固定值，只要通電就會(huì)發(fā)生，足常年累月的損耗?？蛰d損耗下降約30％，對(duì)供電部門來說就是降低了成本，對(duì)國家來說就是節(jié)約了能耗。如以我圍年均生產(chǎn)配電變口：器約2.4億kVA，每臺(tái)變壓器200 kVA計(jì)算，年產(chǎn)120萬臺(tái)。全部采用SJ1型三角形卷鐵心變壓器，比采剛S9平面疊鐵心變壓器降低空載損耗18萬kW，一年可節(jié)約用電15.48億kW•h，相應(yīng)的可以節(jié)省線路損耗及發(fā)電設(shè)備的投入。同時(shí)，空載電流下降75％，可以節(jié)省無功補(bǔ)償設(shè)備的投入。 （2）變壓器材料節(jié)約分析 使剛相同材質(zhì)，在鐵心有效而積、窗口等參數(shù)相同的情況下，進(jìn)行相同性能水平的立體三角形卷鐵心變壓器與平面形疊鐵心變壓器比較如下。 1）鐵心材料的節(jié)約三角形卷鐵心AC間磁路在鐵軛部分較平面形鐵心縮短1/2，而軛的面積是每相柱截面的1/2，所以鐵軛部分的重量減輕1/4。鐵軛與心柱的重量比一般為2：3，所以鐵心的總重量理論應(yīng)減輕約10％；卷鐵心沒有多余的角部重量，又比平面疊鐵心輕約5％。另外，硅鋼帶裁剪利用率比疊鐵心高5％。所以參數(shù)相同的情況下，立體三角形卷鐵心比疊鐵心節(jié)省硅鋼帶累計(jì)約20％。 2）綜合成本的降低變壓器性能水平相同，空載損耗標(biāo)準(zhǔn)值一樣。三角形卷鐵心變壓器鐵心重量G和工藝系數(shù)變小，根據(jù)公式（1），可以適當(dāng)提高鐵心的磁通密度，使鐵心的單位重量損耗增大，保持空載損耗不變。由電磁計(jì)算公式 式中，相電壓u和頻率f一定，w是線圈匝數(shù)，是鐵心的磁通密度，s是通過磁通心柱有效面積。 可知，線圈匝數(shù)w與磁通密度成反比，所以提高磁通密度，可以減少導(dǎo)線匝數(shù)w，節(jié)約銅線用量。 另外，卷鐵心心柱截面圓內(nèi)的空間填充系數(shù)比疊鐵心高4％～6％，有效面積S相同時(shí)，卷鐵心的直徑會(huì)小于疊鐵心直徑2％～3％，可以使銅周長(zhǎng)變短，用量降低，使整臺(tái)變壓器的成本進(jìn)一步降低。 所以變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品容量大小不同，平衡考慮外接圓內(nèi)的填充系數(shù)、裁剪的材料利用率以及銅材和硅鋼帶的單價(jià)比，選擇不同截面形式以使變壓器的綜合成本最低。S11型平面疊鐵心與三角形卷鐵心變壓器的材料比較見表2。 [ALIGN=CENTER]表2 S11型平面疊鐵心與三角形卷鐵心變壓器主要材料比較 [/ALIGN] 可見，S11型三角形卷鐵心變壓器與S9型平面疊鐵心變壓器成本接近，而比S11型平面疊鐵心變壓器鐵心重量平均下降14.13％，銅材平均下降14.49％。節(jié)材效果顯著，可以節(jié)省大量的國家資源和能源消耗。在當(dāng)前原材料價(jià)格居高不下的時(shí)候，它的優(yōu)勢(shì)應(yīng)該得到社會(huì)重視。 （3）卷鐵心變壓器的防盜性 防止變壓器的失竊就是在節(jié)約社會(huì)資源，疊鐵心變壓器由于技術(shù)上的原因而易于失竊，盜竊方式是將變壓器油箱與器身分離，拆開器身的緊固件將變壓器的硅鋼片敲落。此時(shí)變壓器的3個(gè)繞組與硅鋼片當(dāng)即分離，就可以將銅線等有價(jià)值的材料竊取運(yùn)走。 由于卷鐵心變壓器的鐵心是一個(gè)整體，盜賊根本不可能把它敲散，線圈就不易取下來。由于重量原因，盜賊要把整體鐵心和線圈搬走是相當(dāng)困難的。即使整體盜走了，也不容易將硅鋼片和銅線分離，所以卷鐵心變壓器具有較好的防盜性。 5、結(jié)論 通過近兩年的掛網(wǎng)運(yùn)行，三角形卷鐵心變壓器運(yùn)行狀況良好，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有節(jié)能節(jié)材，低噪聲，綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，符合我國電力工業(yè)科技進(jìn)步與創(chuàng)新的要求，足城鄉(xiāng)配電嘲發(fā)展的技術(shù)方向，有廣闊的應(yīng)用前景。