知识收藏 | 立体卷铁心变压器和叠铁心变压器的

摘要

近年来，随着社会的发展以及科学技术的进步，使我电力事业在实际的运行过程中获得了长足的发展。随着我绿色发展以及可持续发展等观念的出现，使得电力事业逐渐加强了对于能源的节约。基于此，相关部门逐渐加强了对于新型节能型干式变压器的使用。目前，立体卷铁心与非晶合金干式变压器的技术在实际的使用过程中不仅缓解了家电力紧张的问题，还进一步推动电力企业在运行过程中获得更高的经济效益以及社会效益。本文基于此，以平 面非晶合金干式变压器与立体卷铁心非晶干式变压器的使用为例，分析探讨了其在实际的使用过程中所具备的经济性能。

立体卷铁心配电干式变压器

立体卷铁心

铁心：框拼合成的三角形立体布置的铁心。

【立体卷铁心配电干式变压器Tridimensional Toroidal-Core Distribution Transformer】以立体卷铁心为磁路的配电干式变压器。

三维立体卷铁心干式变压器、立体组合式卷铁心干式变压器、立体组合式三相卷铁心干式变压器、三角形立体卷铁心干式变压器、立体三角形卷铁心干式变压器等说法均是指【立体卷铁心干式变压器】，其型号中出现字母RL，如S13-MRL-100/10其中，R表示卷铁心，L表示立体结构。

立体卷铁心干式变压器是一种节能型电力干式变压器，它创造性地改革了传统电力干式变压器的叠片式磁路结构和三相布局，使产品性能更为优化，如三相磁路完全对称、 油浸式立体卷铁心干式变压器 节电效果显著、噪音大大降低、散热及过载能力更强、结构紧凑体积小等。

立体卷铁心

干式变压器

立体卷铁心的特性

01

磁路优化

（1）三维立体卷铁心层间没有接缝，磁路各处分布均匀，没有明显的高阻区，没有接缝处磁通密度的畸变现象。

（2）磁通方向与硅钢片晶体取向完全一致 。

（3）三相磁路长度完全相等，三相磁路长度之和较短 。

（4）三相磁路完全对称，三相空载电流完全平衡

02

损耗低，节电效果显著

（1）三维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槰，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，其铁损工艺系数从1.3-1.5之间下降到1.05左右，仅此一项可使铁心损耗降低10-20%。

（2）由于特殊的三维立体结构，使铁心的铁轭部分用材量比传统叠片铁心减少25%，且减少的角重量占铁心总重约6%。

（3）对硅钢片的剪切处理会使其导磁性能恶化，三维立体卷铁心经高温（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其出厂时的性能。

03

噪音低

干式变压器本体振动产生噪音的根源在于：

- 硅钢片的磁致伸缩引起铁心振动，产生噪音 - 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，产生噪音

- 干式变压器工作磁密选取过高，接近或达到饱和点，漏磁太大，产生噪音 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，不会产生如叠片式匆忙那样因磁路不连续而发出的噪音。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。

04

过载能力强

（1）产品本身的发热量很低：卷铁心干式变压器其空载损耗、空载电流都非常小，产品本身发热量就很低；

（2）如图所示，三相线圈呈“品”字形排布，在线圈间形成一条上下贯通的中心天然气道——“抽风烟筒”，由于上下铁轭温差30-40℃，产生强烈的空气对流，冷空气从下面往中心通道补充，热量从上铁轭内斜面辐射出去，自然循环中迅速带走干式变压器产生的热量。

05

结构紧凑，占地小

特殊的三维立体铁心使产品结构紧凑、布局合理，器身平面占用面积比传统产品减少10-15%，器身高度降低10-20%，若安装在箱式变电站中可缩小箱变体积近1/4。

立体变的技术性能特点

关于立体卷铁心干式变压器的技术性能特点，关于该类型的干式变压器技术性能特点主要有6点，具体内容如下：1、 事实上，该类型的干式变压器在实际的生产过程中，其铁心 由硅钢片卷制而成，免除了烦琐的叠片工作，继而使得相关 工序朝着简单化的方向发展。

2、就是卷铁心在生产的过程 中主要进行机械化的处理方式，因而生产效率较高。

3、是该 干式变压器的重要部件——三相卷铁心中的三相铁心磁路对称等 长，因而能够有效节省材料，降低干式变压器的整机综合成本。

4、是由于立体三角形卷铁心具有无接缝的特点，这使得变压 器在实际的使用过程中能够高效发挥优质铁心材料高导磁特 点，并减少不必要的电能损耗。

5、是该干式变压器的体积较小， 结构紧凑，外型美观。

6、是该干式变压器在实际的运行过程中能 够将运行噪音降到较低。

立体卷铁心的缺点

01

加工周期长

立体卷铁心，铁心制造工艺复杂，包括退火等工艺，周期加工长。线圈绕制用专用的绕线设备，不具有通用性，加工周期长。

02

春运，人类史上较大的迁徙

当干式变压器电阻等不平衡，或者干式变压器一项线圈有问题等，必须整体返厂修理。产品通用性差，必须要专用设备才能修理。

非晶合金干式变压器

非晶铁心及带材

非晶合金干式变压器（amorphous alloy transformer）是二十世纪七十年代开发研制的一种节能型干式变压器。非晶合金干式变压器产品对于安全性、可靠性的要求特别高，具有典型的技术密集型特点。世界上较早研发非晶合金干式变压器的家是美，当时由美通用电气（GE）公司承担了非晶合金干式变压器的研制项目。到上世纪八十年代末实现了商品化生产。由于使用了一种新的软磁材料——非晶合金，非晶合金干式变压器的部分性能超越了硅钢干式变压器。非晶合金干式变压器兼具了节能性和经济性，其显著特点是空载损耗很低，符合家产业政策和电网节能降耗的要求，是节能效果较为先进，使用成本也较为经济的配电干式变压器。

非晶合金干式变压器

非晶变的结构特点

利用导磁性能突出的非晶合金，来用作制造干式变压器的铁芯材料，较终能获得很低的损耗值。但它具有许多特性，在设计和制造中是必须保证和考虑的。主要体体现以下几个方面：

(1)非晶合金片材料的硬度很高，用常规工具是难以剪切的，所以设计时应考虑减少剪切量。

(2)非晶合金单片厚度极薄，材料表面也不是很平坦，则铁芯填充系数较低。

(3)非晶合金对机械应力非常敏感。结构设计时，必须避免采用以铁芯作为主承重结构件的传统设计方案。

(4)为了获得优良的低损耗特性，非晶合金铁芯片必须进行退火处理。

(5)从电气性能上。为了减少铁芯片的剪切量，整台产品的铁芯由四个单先的铁心框并列组成，并且每相绕组是套在磁路先立的两框上。每个框内的磁通除基波磁通外，还有三次谐波磁通的存在，一个绕组中的两个卷铁芯框内，其三次谐波磁通正好在相位上相反，数值上相等，因此，每一组绕组内的三次谐波磁通向量和为零。如一次侧是D接法，有三次谐波电流的回路，当在感应出的二次侧电压波形上，就不会有三次谐波电压的分量。

根据上面分析，三相非晶合金配电干式变压器较合理的结构为：铁芯，由四个单先铁芯框在同一平面内组成三相五柱式，必须经退火处理，并带有交叉铁轭接缝，截面形状呈长方形。绕组，为长方形截面，可单先绕制成型的，双层或多层矩形层式。油箱，为全密封免维护的波纹结构。

非晶合金材料

非晶合金材料是一种新型节能材料，其主要是以铁、镍、钴、铬、锰等金属为合金基，并加入少量的硼、碳、硅、磷等金属元素制成的，它具有良好的铁磁性。

非晶合金材料采用快速急冷凝固生产工艺，其物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列，它与硅钢的晶体结构完全不同，更有利于被磁化和去磁，加工成的非晶合金铁心带材厚度仅0.025mm厚，这种新型材料用于干式变压器铁心磁化过程相当容易。能够大幅度降低干式变压器的空载损耗。不过其磁通饱和值较传统的硅钢材料低(1.57T—1.59T)，故非晶合金铁心在设计磁通密度时单相干式变压器一般取1.3T—1.4T，三相干式变压器一般1.25T—1.35T之间取值较理想。

非晶合金铁心材料对机械应力非常敏感，无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能，所以，铁心的损耗会随着应力的增大而增加。这需要在器身结构设计中加以充分考虑。

非晶合金铁心特点

1、非晶体没有晶格和晶界，故非晶合金的磁化功率小，励磁特性和单位损耗大大低于硅钢片。2、非晶体具有各向同性，故非晶合金为无取向软磁材料，可采用直接缝且可不分级。3、非晶体原子结构相对不稳定，故非晶合金对机械应力非常铭感，在受力较大的情况下回影响其电磁性能。4、非晶体原子间距相对较大，分子间作用力较弱，故在励磁时其磁致伸缩相对较大。5、非晶合金带材成形时厚度极小，约为0.02~0.03mm，其涡流损耗很小。因厚度小且表面弯曲度大，故占空比（叠片系数）小，仅为0.84~0.86。

非晶变的技术性能特点

关于非晶合金干式变压器的技术性能特点，以南方某电气有限公司生产的非晶合金立体卷铁心油浸式干式变压器（图 2）为例，进行相关的讲述。目前，该公司在进行实现非晶合金干式变压器构造的过程中，实现了三相磁路的完全对称、等长，继而由此推动了三 相供电的平衡性。此外，由于其主要结构为三角形结构，因 而具有较高的稳定性。此外，这种结构也促使了铁心的机械 强度高，增强了干式变压器的抗短路能力。三是非晶合金干式变压器 在实际的运行过程中能够有效地降低空载损耗以及电流，由 此实现了对于电能的节省。

但是，平面非晶合金干式变压器在制造过程当中需要使用大量的非晶合金材料，前期投资成本较高而且制造使用的材 料重量较大、投资较高，产生同样效果时平面非晶合金变压 器相比立体卷铁心干式变压器具有较大的资源消耗量，投资高的 同时就导致了平面非晶合金干式变压器的售价较高，因此在大规 模制造以及推广使用过程中都会受到较大的影响。平面非晶 合金干式变压器在实际的使用过程中为了能够有效地提高空间利 用系数，缩小体积的同时使干式变压器的散热性能受到较大的影 响，长期工作后干式变压器局部处于高温工作状态发生危险的可 能性较大，平面非晶合金干式变压器运行过程产生噪音较高，影 响人们的生活质量。

非晶变的缺点

1)使电力系统短路电流增加。由于高、中压绕组非晶合金干式变压器两者之间的电气连接,它只与普通双绕组干式变压器短路阻抗的能力(1 k / 1)时代广场,所以在使用非晶合金干式变压器在电力系统,使三相短路电流显著增加。和由于自耦合干式变压器中性点必须直接接地,因此将使系统的单相短路电流大大增加,有时甚至超过三相短路电流。2)在调节造成一些困难。主要是由于其高、中压绕组电接触引起的非晶合金干式变压器可能的方式调节三个,较好个是安装在非晶合金干式变压器绕组分别与负载变化位置调节装置;第二个是在高压和中压线路安装额外的干式变压器。和这三种方法不仅是制造困难,不经济,有其缺陷以及在运行(如第三绕组电压)的影响,解决方案并不理想。3)复杂的绕组过电压保护。由于高、中压绕组非晶合金干式变压器接触,任何一方在振幅对应于闪电的绕组绝缘水平激增,另一边的过电压波幅度可能超出了绝缘等级。为了避免这种现象的发生,必须在高、中压两边的出口端安装一组阀型避雷器。4)使继电保护复杂。

5）饱和磁密低，非晶合金油浸式干式变压器铁心的饱和磁密，普通硅钢板的饱和磁密度一般在1.56 t左右，与传统硅钢板的差约为20%。因此，干式变压器的设计磁密度也必须降低20%。非晶体合金的油交换设计的磁密度一般小于1.35t，干性非晶体合金的设计磁密度一般小于1.2 t。

6）非晶核心带对力量敏感，核心带受力时其空振性能容易恶化。因此，应该特别注意其结构。核心挂在支撑台，应该承受自身的整体重力。另外，要特别注意核心部位的力量失效和敲门的减少。

7）磁失真规格的硅钢板约10%大，噪音控制困难，是制约非晶合金油浸式干式变压器干式变压器的普及的主要原因之一。目前，南方电力网和电网投标对均非晶合金油浸式干式变压器干式变压器的噪音提出了高要求。分敏感区和非敏感区，以音级设计磁密为目标提出。

8）非晶合金油浸式干式变压器丝带薄，厚度只有0.03 mm。因此，象以前的硅钢板一样地能非法制作线圈核心。为此，非晶合金油浸式干式变压器干式变压器的铁心构造被非常规干式变压器制造厂非法加工，通常需要整形和购买。对于线圈内带的矩形断面，非晶体合金干式变压器的线圈通常制作矩形结构。

9）熟化程度不够。目前，主要进口日立金属非晶合金油浸式干式变压器带材，逐渐产化。安泰科技和青岛云路拥有非晶合金油浸式干式变压器宽带(213 mm、170 mm、142 mm)。进口胶带的稳定性还有差别。

10）更大钢耐用长度限制。非晶体合金的带材相对于初期更大周方向的带材长度，因炉子的大小而受到限制。但是，大体上解决了。更大周边的带材的长度能制作10米的非晶合金油浸式干式变压器芯台，3150 kVA及以下的非晶合金油浸式干式变压器的干式转移和10000 kVA及以下的非晶合金油浸式干式变压器的油转移被使用。

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